Fault location in power distribution networks with distributed generation.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB.

Ajuste e ensaio de sistemas de proteção de geradores síncronos.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta.

Experiências do desenvolvimento de transformador para alta temperatura baseado em isolação semi-híbrida e óleo vegetal isolante.

O transformador de potência é um importante equipamento utilizado no sistema elétrico de potência, responsável por transmitir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro e transformar tensões e correntes de um circuito elétrico. O transformador de potência tem ampla aplicação, podendo ser utilizado em subestações de usinas de geração, transmissão e distribuição. Neste sentido, mudanças recentes ocorridas no sistema elétrico brasileiro, causadas principalmente pelo aumento considerável de carga e pelo desenvolvimento tecnológico tem proporcionado a fabricação de um transformador com a aplicação de alta tecnologia, aumentando a confiabilidade deste equipamento e, em paralelo, a redução do seu custo global. Tradicionalmente, os transformadores são fabricados com um sistema de isolação que associa isolantes sólidos e celulose, ambos, imersos em óleo mineral isolante, constituição esta que define um limite à temperatura operacional contínua. No entanto, ao se substituir este sistema de isolação formado por papel celulose e óleo mineral isolante por um sistema de isolação semi- híbrida - aplicação de papel NOMEX e óleo vegetal isolante, a capacidade de carga do transformador pode ser aumentada por suportar maiores temperaturas. Desta forma, o envelhecimento do sistema de isolação poderá ser em longo prazo, significativamente reduzido. Esta técnica de aumentar os limites térmicos do transformador pode eliminar, essencialmente, as restrições térmicas associadas à isolação celulósica, provendo uma solução econômica para aperfeiçoar o uso de transformadores de potência, aumentando a sua confiabilidade operacional. Adicionalmente, à aplicação de sensores de fibra óptica, em substituição aos sensores de imagem térmica no monitoramento das temperaturas internas do transformador, se apresentam como importante opção na definição do equacionamento do comportamento do transformador sob o ponto de vista térmico.

Sistema especialista para análise pós-evento da proteção em subestações distribuidoras.

É importante que as redes elétricas tenham altos índices de confiabilidade, de forma a se manter a agilidade e a manutenção ideais para um melhor funcionamento. Por outro lado, o crescimento inesperado da carga, falhas em equipamentos e uma parametrização inadequada das funções de proteção tornam a análise de eventos de proteção mais complexas e demoradas. Além disso, a quantidade de informações que pode ser obtida de relés digitais modernos tem crescido constantemente. Para que seja possível uma rápida tomada de decisão e manutenção, esse projeto de pesquisa teve como objetivo a implementação de um sistema completo de diagnóstico que é ativado automaticamente quando um evento de proteção ocorrer. As informações a serem analisadas são obtidas de uma base de dados e de relés de proteção, via protocolo de comunicação IEC 61850 e arquivos de oscilografia. O trabalho aborda o sistema Smart Grid completo incluindo: a aquisição de dados nos relés, detalhando o sistema de comunicação desenvolvido através de um software com um cliente IEC61850 e um servidor OPC e um software com um cliente OPC, que é ativado por eventos configurados para dispará-lo (por exemplo, atuação da proteção); o sistema de pré-tratamento de dados, onde os dados provenientes dos relés e equipamentos de proteção são filtrados, pré-processados e formatados; e o sistema de diagnóstico. Um banco de dados central mantém atualizados os dados de todas essas etapas. O sistema de diagnóstico utiliza algoritmos convencionais e técnicas de inteligência artificial, em particular, um sistema especialista. O sistema especialista foi desenvolvido para lidar com diferentes conjuntos de dados de entrada e com uma possível falta de dados, sempre garantindo a entrega de diagnósticos. Foram realizados testes e simulações para curtos-circuitos (trifásico, dupla-fase, dupla-fase-terra e fase-terra) em alimentadores, transformadores e barras de uma subestação. Esses testes incluíram diferentes estados do sistema de proteção (funcionamento correto e impróprio). O sistema se mostrou totalmente eficaz tanto no caso de disponibilidade completa quanto parcial de informações, sempre fornecendo um diagnóstico do curto-circuito e analisando o funcionamento das funções de proteção da subestação. Dessa forma, possibilita-se uma manutenção muito mais eficiente pelas concessionárias de energia, principalmente no que diz respeito à prevenção de defeitos em equipamentos, rápida resposta a problemas, e necessidade de reparametrização das funções de proteção. O sistema foi instalado com sucesso em uma subestação de distribuição da Companhia Paulista de Força e Luz.

Aplicação de sistema especialista para localização de defeitos em redes de distribuição.

Com o objetivo de orientar e agilizar a busca do local de curto circuitos em redes primárias aéreas de distribuição de energia, esta pesquisa propõe uma metodologia para localização de áreas com maior probabilidade de ser sede do defeito, utilizando variáveis Heurísticas. A metodologia Heurística se aplica em problemas que envolvem variáveis com incertezas, que podem ser avaliadas por meio de recursos empíricos e na experiência de especialistas. Dentre as variáveis influentes no cálculo de curto circuito, foram consideradas como mais relevantes: a resistência de defeito, a tensão pré falta, a impedância do sistema equivalente a montante da subestação e a impedância da rede. A metodologia proposta se fundamenta no conhecimento das correntes e tensões oscilografadas no barramento da subestação por ocasião da ocorrência de um curto circuito e, por outro lado no pré-calculo de correntes de curto circuito heurísticas ao longo da rede. No âmbito da pesquisa foram realizados testes de campo para levantamento da variável heurística resistência de defeito, resumidos neste texto e documentados no CD - ROM em anexo. Foi desenvolvido um software que permitiu a efetiva aplicação da proposta desta pesquisa em vários alimentadores de uma Distribuidora, cujos resultados comprovaram a eficiência da metodologia.

Sistema inteligente baseado em decomposição por componentes ortogonais e inferência fuzzy para localização de faltas de alta impedância em sistemas de distribuição de energia elétrica com geração distribuída

Os sistemas elétricos de potência modernos apresentam inúmeros desafios em sua operação. Nos sistemas de distribuição de energia elétrica, devido à grande ramificação, presença de extensos ramais monofásicos, à dinâmica das cargas e demais particularidades inerentes, a localização de faltas representa um dos maiores desafios. Das barreiras encontradas, a influência da impedância de falta é uma das maiores, afetando significativamente a aplicação dos métodos tradicionais na localização, visto que a magnitude das correntes de falta é similar à da corrente de carga. Neste sentido, esta tese objetivou desenvolver um sistema inteligente para localização de faltas de alta impedância, o qual foi embasado na aplicação da técnica de decomposição por componentes ortogonais no pré-processamento das variáveis e inferência fuzzy para interpretar as não-linearidades do Sistemas de Distribuição com presença de Geração Distribuída. Os dados para treinamento do sistema inteligente foram obtidos a partir de simulações computacionais de um alimentador real, considerando uma modelagem não-linear da falta de alta impedância. O sistema fuzzy resultante foi capaz de estimar as distâncias de falta com um erro absoluto médio inferior a 500 m e um erro absoluto máximo da ordem de 1,5 km, em um alimentador com cerca de 18 km de extensão. Tais resultados equivalem a um grau de exatidão, para a maior parte das ocorrências, dentro do intervalo de ±10%.

Algoritmos recursivos e não-recursivos aplicados à estimação fasorial em sistemas elétricos de potência

Este trabalho apresenta uma análise de algoritmos computacionais aplicados à estimação de fasores elétricos em SEPs. A medição dos fasores é realizada por meio da alocação de Unidades de Medição Fasorial nestes sistemas e encontra diversas aplicações nas áreas de operação, controle, proteção e planejamento. Para que os fasores possam ser aplicados, são definidos padrões de medição, sincronização e comunicação, por meio da norma IEEE C37.118.1. A norma apresenta os padrões de mensagens, timetag, fasores, sistema de sincronização, e define testes para avaliar a estimação. Apesar de abranger todos esses critérios, a diretriz não define um algoritmo de estimação padrão, abrindo espaço para uso de diversos métodos, desde que a precisão seja atendida. Nesse contexto, o presente trabalho analisa alguns algoritmos de estimação de fasores definidos na literatura, avaliando o comportamento deles em determinados casos. Foram considerados, dessa forma, os métodos: Transformada Discreta de Fourier, Método dos Mínimos Quadrados e Transformada Wavelet Discreta, nas versões recursivas e não-recursivas. Esses métodos foram submetidos a sinais sintéticos, a fim de verificar o comportamento diante dos testes propostos pela norma, avaliando o Total Vector Error, tempo de resposta e atraso e overshoot. Os algoritmos também foram embarcados em um hardware, denominado PC104, e avaliados de acordo com os sinais medidos pelo equipamento na saída analógica de um simulador em tempo real (Real Time Digital Simulator).

Aplicações híbridas entre sistemas multiagentes e técnicas de inteligência artificial para redes inteligentes de distribuição de energia elétrica

Os smart grids representam a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas de comunicação, processos distribuídos e inteligência artificial para prover novas funcionalidades quanto ao acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta estrutura modifica profundamente a maneira como se realiza o planejamento e a operação de sistemas elétricos nos dias de hoje, em especial os de distribuição, e há interessantes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca da implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem baseada no uso de sistemas multiagentes para simular esse tipo de sistema de distribuição de energia elétrica, considerando opções de controle distintas. A utilização da tecnologia de sistemas multiagentes para a simulação é baseada na conceituação de smart grids como um sistema distribuído, algo também realizado nesse trabalho. Para validar a proposta, foram simuladas três funcionalidades esperadas dessas redes elétricas: classificação de cargas não-lineares; gerenciamento de perfil de tensão; e reconfiguração topológica com a finalidade de reduzir as perdas elétricas. Todas as modelagens e desenvolvimentos destes estudos estão aqui relatados. Por fim, o trabalho se propõe a identificar os sistemas multiagentes como uma tecnologia a ser empregada tanto para a pesquisa, quanto para implementação dessas redes elétricas.

Avaliação da quantidade e qualidade dos recursos hídricos superficiais da bacia hidrográfica do rio Sapucaí-Mirim (SP) através do simulador computacional Mike Basin

Fundamental a vida e ao desenvolvimento de qualquer sociedade, a água é um bem precioso e limitado que está se esgotando e sendo motivo de preocupação mundial. O desperdício, a distribuição desigual, o aumento do consumo e a degradação da qualidade da água são motivos que a tornaram escassa e trouxeram à tona a importância do planejamento e gerenciamento dos recursos hídricos. Frente a esta situação, este trabalho buscou avaliar a disponibilidade hídrica quantitativa e qualitativa da bacia hidrográfica do rio Sapucaí-Mirim, SP. Através da aplicação do simulador hidrológico MIKE BASIN, foi analisado o desempenho do sistema de recursos hídricos, o conflito existente entre os usos múltiplos e a concentração dos parâmetros OD e DBO nas águas do rio que recebe efluentes domésticos, muitos deles sem nenhum tratamento. Apesar da quantidade de água ser suficiente para atender às demandas, o estudo mostra que a geração de energia elétrica está comprometida e a água está se esgotando qualitativamente, evidenciando a necessidade e urgência de se implantar estações de tratamento de esgoto.

Uma abordagem paramétrica do impacto da geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e na proteção de redes de distribuição.

Esta dissertação tem por propósito analisar os impactos da geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e sobre a proteção das redes de média tensão das concessionárias de distribuição de energia elétrica usando uma abordagem paramétrica. A principal motivação deste trabalho são os recentes incentivos regulatórios que estão fomentando a geração distribuída no Brasil. Contudo, as redes de distribuição convencionais foram projetadas para serem passivas e a introdução da geração poderá causar problemas de ordem técnica que ainda precisam ser resolvidos. Tais problemas foram pesquisados e aqueles relacionados com os impactos sobre as correntes de curto-circuito foram enfatizados. As normas técnicas das concessionárias também foram investigadas porque seus requisitos, como a ligação dos transformadores de acoplamento, influem nas correntes de curto-circuito. Para se calcular as correntes de curto-circuito, desenvolveu-se uma planilha eletrônica cujos resultados foram validados com programas comerciais de análise de redes elétricas. Esta ferramenta foi utilizada para demonstrar, através de exemplos, o impacto causado pela geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e, posteriormente, para realizar as análises paramétricas nas quais a influência de cada variável foi avaliada. A aplicação do método paramétrico permitiu o estudo de possíveis limites para a potência de um gerador distribuído em função dos impactos admissíveis, de seu ponto de conexão, de seus parâmetros elétricos e dos parâmetros elétricos da rede.

Estudo sobre a interação de métodos anti-ilhamento para sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de baixa tensão com múltiplos inversores.

Este trabalho estuda a interação entre os métodos anti-ilhamento aplicados em sistemas fotovoltaicos residenciais, operando simultaneamente em uma rede de distribuição de baixa tensão. Os sistemas fotovoltaicos em geral interagem entre si, com a rede de distribuição da concessionária e com outras fontes de geração distribuída. Uma consequência importante dessa interação é a ocorrência do ilhamento, que acontece quando as fontes de geração distribuída fornecem energia ao sistema elétrico de potência mesmo quando esta se encontra eletricamente isolada do sistema elétrico principal. A função anti-ilhamento é uma proteção extremamente importante, devendo estar presente em todos os sistemas de geração distribuída. Atualmente, são encontradas diversas técnicas na literatura. Muitas delas oferecem proteção adequada quando um inversor está conectado à linha de distribuição, mas podem falhar quando dois ou mais funcionam simultaneamente, conectados juntos ou próximos entre si. Dois destes métodos são analisados detalhadamente nesse estudo, avaliados em uma rede de distribuição residencial de baixa tensão. Os resultados obtidos mostram que a influência de um método sobre o outro é dependente da predominância de cada um deles dentro do sistema elétrico. Contudo, nas condições analisadas o ilhamento foi detectado dentro do limite máximo estabelecido pelas normas pertinentes.

Localização de usinas termoelétricas utilizando Sistema de Informação Geográfica e métodos de decisão multicritério

No setor de energia elétrica, a área que se dedica ao estudo da inserção de novos parques geradores de energia no sistema é denominada planejamento da expansão da geração. Nesta área, as decisões de localização e instalação de novas usinas devem ser amplamente analisadas, a fim de se obter os diversos cenários proporcionados pelas alternativas geradas. Por uma série de fatores, o sistema de geração elétrico brasileiro, com predominância hidroelétrica, tende a ser gradualmente alterada pela inserção de usinas termoelétricas (UTEs). O problema de localização de UTEs envolve um grande número de variáveis através do qual deve ser possível analisar a importância e contribuição de cada uma. O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo de localização de usinas termoelétricas, aqui denominado SIGTE (Sistema de Informação Geográfica para Geração Termoelétrica), o qual integra as funcionalidades das ferramentas SIGs (Sistemas de Informação Geográfica) e dos métodos de decisão multicritério. A partir de uma visão global da área estudada, as componentes espaciais do problema (localização dos municípios, tipos de transporte, linhas de transmissão de diferentes tensões, áreas de preservação ambiental, etc.) podem ter uma representação mais próxima da realidade e critérios ambientais podem ser incluídos na análise. Além disso, o SIGTE permite a inserção de novas variáveis de decisão sem prejuízo da abordagem. O modelo desenvolvido foi aplicado para a realidade do Estado de São Paulo, mas deixando claro a viabilidade de uso do modelo para outro sistema ou região, com a devida atualização dos bancos de dados correspondentes. Este modelo é designado para auxiliar empreendedores que venham a ter interesse em construir uma usina ou órgãos governamentais que possuem a função de avaliar e deferir ou não a licença de instalação e operação de usinas.

Contribuições para a implementação de um barramento de processo segundo a norma IEC 61850-9.

Desde seu lançamento, em 2002, a Norma IEC 61850 vem evoluindo para se tornar o padrão adotado nos Sistemas de Automação de Subestações. Dentre seus vários aspectos, destacam- se os serviços de tempo real, que permitem a implementação de funções de automação e de proteção dentro da subestação através da troca de mensagens específicas entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes através de um barramento digital de rede de dados. O objetivo central deste trabalho é explorar algumas das questões que envolvem a implementação de uma classe de serviços de tempo real: a transmissão de valores amostrados através de Serviços SMV, definidos pela Norma IEC 61850-9. Primeiramente, apresenta-se um breve resumo das principais características da Norma IEC 61850 que possibilitam o atendimento dos três requisitos por ela estabelecidos como base: a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, a versatilidade na configuração e reconfiguração do Sistema de Automação da Subestação, e a possibilidade de implementação de novas tecnologias. Em seguida, explora-se com maior profundidade todos os aspectos relevantes à implementação dos Serviços SMV. Devido à complexidade deste assunto, o autor propõe abordá-lo sob a ótica de cinco tópicos interdependentes: variações da Norma IEC 61850-9, confiabilidade do barramento de processo, sincronismo de tempo, análise da qualidade da medição e segurança cibernética. Com base nos resultados apresentados neste estudo, propõem-se duas plataformas, um protótipo de Transformador de Potencial Óptico e um protótipo de Relé de Proteção Diferencial para transformadores de potência, com o objetivo de explorar alguns dos aspectos pertinentes à implementação de um barramento de processo de acordo com a Norma IEC 61850-9. Também foram realizados testes de geração e transmissão de mensagens contendo valores de amostras de tensão/corrente do sistema elétrico (denominadas de SV Messages) com a finalidade de implementá-las de fato e avaliar as ferramentas de mercado disponíveis. Por fim foi proposto um modelo para a simulação do sistema de potência em conjunto com a rede de comunicação utilizando o programa Matlab/Simulink. O autor espera que este trabalho contribua para esclarecer os vários conceitos envolvidos na implementação do barramento de processo definido pela Norma IEC 61850-9, auxiliando na pesquisa e no desenvolvimento de novas ferramentas e dispositivos, e no aprimoramento da Norma IEC 61850.

Risco de mercado na comercialização de energia elétrica: uma análise estruturada com foco no ambiente de contratação livre - ACL.

A motivação para o desenvolvimento desse trabalho surge em um momento em que se verifica uma participação cada vez mais significativa das fontes energéticas renováveis não convencionais no País. Não obstante, o cenário de evolução evidencia que o arcabouço regulatório e as regras de mercado não acompanharam as especificidades inerentes à exploração dessas fontes. Assim, para que se mantenha adequado ritmo de inserção na matriz energética, devem ser buscadas opções para que fontes alternativas sejam cada vez mais competitivas na atual configuração do mercado energético. A contribuição dessa pesquisa, portanto, centra-se na análise dos riscos de mercado incorridos por esses geradores de fontes intermitentes de energia ao comercializarem energia no ambiente de contratação livre. Nessa perspectiva, a Dissertação foi desenvolvida abordando tipos de geração de energia e suas características técnicas e econômicas, legislação do setor elétrico, regras de comercialização, balanço energético do sistema, formação de preços no mercado de curto prazo e precificação de contratos no ACL, diferença de preços entre submercados, requisitos de flexibilidade e sazonalidade nos contratos de venda a consumidores livres e seu impacto na precificação de contratos, identificação de comportamento energético complementar para mitigação de riscos de mercado entre fontes renováveis e rebatimento na formulação de mecanismo de hedge, análise de portfólio de contratos e estratégia ótima de contratação de energia para agentes geradores atuando no ACL. Como resposta ao desafio de equacionar o impasse surgido na comercialização de fontes de produção sazonal, propõe-se um modelo para definir estratégias de contratação para agentes geradores e comercializadores a partir da complementação energética entre diferentes tipos de fontes, de forma a maximizar os ganhos de comercialização para um risco estabelecido. Busca-se a composição ideal dessas fontes na carteira de um comercializador para minimizar o risco de exposição à volatilidade dos preços do mercado de curto prazo. Isso é possível em virtude das compensações energéticas feitas entre as diferentes fontes em um portfólio combinado, mitigando a receita em risco decorrente das variações que existem nos preços de curto prazo e na produção energética. De forma complementar, estruturou-se um modelo de negócio no qual uma empresa detentora de ativos de geração hidrelétrica compra os direitos de produção de uma eólica e/ou biomassa para incorporar ao seu portfólio e vender como contrato por quantidade. Determinou-se o volume de energia a ser comprado de cada fonte, o preço, a estratégia mais indicada de contratação e a mitigação de fatores de risco contemplados nos contratos de venda, buscando maximizar os ganhos de comercialização condicionada a critérios de risco pré-fixados.