Modelização e análise de desempenho de redes de distribuição mistas

A evolução tecnológica a que se assistiu nas últimas décadas tem sido um dos principais fatores da necessidade de utilização de energia elétrica. Consequentemente, remodelações tanto a nível de equipamentos na rede de distribuição como da qualidade de serviço têm sido determinantes para fazer face a uma evolução crescente do consumo de energia elétrica por parte da sociedade. Esta evolução tem afetado significativamente o desempenho dos sistemas de proteção e automatismos associados, sendo estes cada vez mais fiáveis e proporcionando maior segurança tanto aos ativos da rede como a pessoas. No entanto, esta evolução tem tido também impacto nas linhas de distribuição em média tensão, estando estas a evoluir de rede aérea para linhas mistas de distribuição. As linhas mistas de distribuição têm diferentes desempenhos técnicos e económicos no que respeita aos sistemas de proteção e respetivos automatismos de religação automática. Neste trabalho são analisados alguns parâmetros que têm influência na atuação das proteções e respetivos automatismos de religação.

Redes de distribuição de gás natural: projeto e desenvolvimento

Atualmente o gás natural é a principal fonte de energia utilizada pela maioria dos europeus nos setores doméstico, terciário e industrial. É considerado a alternativa energética do futuro e a mais ecologicamente correta de que podemos dispor, numa escala compatível com as elevadas necessidades energéticas da Humanidade a nível global. Aliado a estes factos, surgem cada vez mais regras de boa prática, normas e legislação, nomeadamente especificações técnicas de forma a regular o setor e dotar as entidades intervenientes na conceção e controlo de uma instalação de rede de gás, de um conhecimento mais detalhado e atualizado sobre esta matéria. Esta dissertação pretende assim contribuir para a melhoria e modernização do desempenho de todos os que exercem funções neste setor, com vista ao aperfeiçoamento da qualidade e utilidade dos seus serviços. Este trabalho reúne o conjunto de informação técnica presente na legislação e normas de forma a preencher a eventual falha do conhecimento neste ramo por parte destes profissionais dotando-os de um conhecimento mais aprofundado, de modo a que possam executar corretamente e de forma eficaz o seu trabalho. Por outro lado, esta dissertação tem como objetivo o projeto e desenvolvimento de uma rede de distribuição de gás natural aplicado a três redes concretas: rede de distribuição, edifício e moradia. A conceção do projeto de instalação de gás inicia-se com a recolha de informação, seguindo-se o desenvolvimento do estudo do traçado. Assim, estão reunidas as condições para dimensionar e providenciar a escolha de materiais mais adequados para a execução da obra. A metodologia de dimensionamento adotada teve por base a equação dos gases perfeitos e a fórmula de Renouard simplificada, encontrando-se implementada numa folha de cálculo. Esta ferramenta de cálculo aliada à metodologia permite realizar de forma expedita o correto dimensionamento de uma rede de gás, bem como apurar se a velocidade de escoamento se encontra em conformidade com o definido no projeto.

Deteção e identificação de anomalias em redes de distribuição de energia elétrica

Na ocorrência de anomalias nas redes de distribuição de energia elétrica, muitas vezes devido ao reduzido número de informação disponível, a determinação da localização dos defeitos é uma tarefa árdua e morosa. Consequentemente, impõe-se o recurso por parte das companhias elétricas a sistemas que, contribuindo para a diminuição do tempo despendido na localização dos defeitos, assegurem a redução da duração e frequência das falhas de alimentação. Esta dissertação pretende estudar os diversos sistemas de deteção de defeitos existentes, com destaque para a utilização de Indicadores de Passagem de Defeito e analisar o contributo destes sistemas para a melhoria dos Índices de Qualidade de Serviço. Abordar as dificuldades que se colocam à implementação destes sistemas, nomeadamente, pelas características específicas das redes de distribuição. Pretende, ainda, desenvolver uma metodologia e a respetiva ferramenta, que permita a deteção de defeitos baseada na utilização de Indicadores de Passagem de Defeito comunicantes, numa saída da rede de distribuição de média tensão pertencente à EDP. Analisar técnica e economicamente os benefícios a obter com a implementação da metodologia desenvolvida. Esta dissertação pretende, não só atingir os objetivos acima referidos, mas também, através deles, elaborar uma ferramenta útil para as Companhias Elétricas, no sentido de adotarem sistemas de deteção de defeitos e com fim principal de uma possível redução dos tempos de indisponibilidade de alimentação, intimamente associados à persecução de melhores índices de Qualidade de Serviço por parte das mesmas.

Planeamento de redes de distribuição de energia

O planeamento de redes de distribuição tem como objetivo assegurar a existência de capacidade nas redes para a fornecimento de energia elétrica com bons níveis de qualidade de serviço tendo em conta os fatores económicos associados. No âmbito do trabalho apresentado na presente dissertação, foi elaborado um modelo de planeamento que determina a configuração de rede resultante da minimização de custos associados a: 1) perdas por efeito de joule; 2) investimento em novos componentes; 3) energia não entregue. A incerteza associada ao valor do consumo de cada carga é modelada através de lógica difusa. O problema de otimização definido é resolvido pelo método de decomposição de benders que contempla dois trânsitos de potências ótimos (modelo DC e modelo AC) no problema mestre e escravo respectivamente para validação de restrições. Foram também definidos critérios de paragem do método de decomposição de benders. O modelo proposto classifica-se como programação não linear inteira mista e foi implementado na ferramenta de otimização General Algebraic Modeling System (GAMS). O modelo desenvolvido tem em conta todos componentes das redes para a otimização do planeamento, conforme podemos analisar nos casos de estudo implementados. Cada caso de estudo é definido pela variação da importância que cada uma das variáveis do problema toma, tendo em vista cobrir de alguma todos os cenários de operação expetáveis. Através destes casos de estudo verifica-se as várias configurações que a rede pode tomar, tendo em conta as importâncias atribuídas a cada uma das variáveis, bem como os respetivos custos associados a cada solução. Este trabalho oferece um considerável contributo no âmbito do planeamento de redes de distribuição, pois comporta diferentes variáveis para a execução do mesmo. É também um modelo bastante robusto não perdendo o ‘norte’ no encontro de solução para redes de grande dimensão, com maior número de componentes.

Estudo da turvação em rede de abastecimento de água a alta pressão no grande porto

A turvação é uma das principais preocupações das empresas de rede de distribuição de água potável. Para se saber a sua origem existem diversos mecanismos, sugeridos em bibliografia, que explicam a formação de depósitos de partículas nas tubagens, que se acumulam em camadas sobrepostas, criando entre si forças de coesão. A turvação pode surgir se o caudal ou a velocidade na tubagem aumentar, por alguma razão, pois um aumento da tensão de corte sobre o depósito, pode superar as forças de coesão levando à sua ressuspensão. Esta explicação é traduzida matematicamente pelo modelo PODDS (Prediction of Discolouration in Drinking Water Distribtuion System). O modelo PODDS foi compilado em EPANET recentemente por uma equipa de investigadores da Universidade de Sheffield e foi utilizado para fazer o estudo num ramal da empresa AdDP - Águas do Douro e Paiva, SA. Os resultados das simulações permitirão prever o caudal mínimo teórico a utilizar no ramal que origina o valor limite de turvação. Foram realizados ensaios de variação do caudal no ramal de Jovim-Ramalde para a calibração do modelo. Os parâmetros obtidos foram: Cmáx igual a 100 NTUm, b e n igual a 1, k é igual -1 NTUm3/N, e por fim, P igual a 0,0001 NTUm3/N.s. Após calibração do modelo realizaram-se simulações com atualização das forças de coesão para conhecer o caudal que provocaria a mobilização das partículas até uma turvação de 4 NTU e concluiu-se que o valor seria de 4,32 m3/s. O tempo necessário para regressar a valores inferiores a 1 NTU também foi determinado e 4 horas e 8 minutos foi o valor alcançado. Por fim realizou-se um estudo da influência da temperatura neste modelo e o resultado mostrou que este parâmetro é pouco influente para a gama de temperaturas considerada.

Localização Ótima de Aparelhos de Corte Normalmente Abertos e Normalmente Fechados em Redes de Distribuição

Tipicamente as redes elétricas de distribuição apresentam uma topologia parcialmente malhada e são exploradas radialmente. A topologia radial é obtida através da abertura das malhas nos locais que otimizam o ponto de operação da rede, através da instalação de aparelhos de corte que operam normalmente abertos. Para além de manterem a topologia radial, estes equipamentos possibilitam também a transferência de cargas entre saídas, aquando da ocorrência de defeitos. As saídas radiais são ainda dotadas de aparelhos de corte que operam normalmente fechados, estes têm como objetivo maximizar a fiabilidade e isolar defeitos, minimizando a área afetada pelos mesmos. Assim, na presente dissertação são desenvolvidos dois algoritmos determinísticos para a localização ótima de aparelhos de corte normalmente abertos e fechados, minimizando a potência ativa de perdas e o custo da energia não distribuída. O algoritmo de localização de aparelhos de corte normalmente abertos visa encontrar a topologia radial ótima que minimiza a potência ativa de perdas. O método é desenvolvido em ambiente Matlab – Tomlab, e é formulado como um problema de programação quadrática inteira mista. A topologia radial ótima é garantida através do cálculo de um trânsito de potências ótimo baseado no modelo DC. A função objetivo é dada pelas perdas por efeito de Joule. Por outro lado o problema é restringido pela primeira lei de Kirchhoff, limites de geração das subestações, limites térmicos dos condutores, trânsito de potência unidirecional e pela condição de radialidade. Os aparelhos de corte normalmente fechados são localizados ao longo das saídas radiais obtidas pelo anterior algoritmo, e permite minimizar o custo da energia não distribuída. No limite é possível localizar um aparelho de corte normalmente fechado em todas as linhas de uma rede de distribuição, sendo esta a solução que minimiza a energia não distribuída. No entanto, tendo em conta que a cada aparelho de corte está associado um investimento, é fundamental encontrar um equilíbrio entre a melhoria de fiabilidade e o investimento. Desta forma, o algoritmo desenvolvido avalia os benefícios obtidos com a instalação de aparelhos de corte normalmente fechados, e retorna o número e a localização dos mesmo que minimiza o custo da energia não distribuída. Os métodos apresentados são testados em duas redes de distribuição reais, exploradas com um nível de tensão de 15 kV e 30 kV, respetivamente. A primeira rede é localizada no distrito do Porto e é caraterizada por uma topologia mista e urbana. A segunda rede é localizada no distrito de Bragança e é caracterizada por uma topologia maioritariamente aérea e rural.

Simulação da qualidade da água em parte de ao Grande Porto

Este trabalho tem como objetivo a modelação hidráulica e de qualidade de água de parte de uma rede de distribuição a alta pressão do grande Porto. Após calibração de um modelo utilizado no software EPANet foi possível simular o decaimento do cloro livre num troço da rede de abastecimento. Foi ainda possível concluir que os valores dos parâmetros característicos do modelo de qualidade são uma constante de decaimento no seio do fluido de 1,78 dia-1 (0,001239 min-1) a cerca de 22 ºC e, no ramal 6244-6245 Ramalde – Cabanas – Pedrouços, uma constante de decaimento na parede da tubagem de forma generalizada de 0,28 m/dia. Não foi possível obter conclusões sobre a adutora 6261 Jovim-Nova Sintra 2, ficando explícita a necessidade de um maior controlo sobre a variável temperatura.

Gestão de resíduos produzidos num sistema de drenagem e tratamento de águas residuais

O presente trabalho centra-se na gestão de resíduos produzidos no sistema de drenagem e tratamento de águas residuais do município de Vila Nova de Gaia. A entidade onde decorreu o trabalho é uma empresa responsável pela distribuição de água e pela drenagem e tratamento de águas residuais. A empresa está certificada pela norma NP EN ISO 14001, desde 2001, sendo então um dos objectivos o enquadramento da gestão dos resíduos em estudo na referida norma, acompanhando os requisitos da mesma com vista ao seu total cumprimento. Outros dos objectivos foi estudar qual a opção de tratamento mais adequada a aplicar ao resíduo no seu local de armazenamento temporário com vista a minorar os seus impactes ambientais. De acordo com a caracterização analítica do resíduo e com os aspetos legais aplicáveis, foram também analisados os destinos finais possíveis e ambientalmente adequados ao resíduo. A medida proposta para a minimização de impactes no local de armazenamento temporário do resíduo foi a estabilização com cal nos leitos de secagem, disponíveis numa antiga ETAR de loteamento. O doseamento de cal a aplicar ao resíduo será de 10 kg de cal apagada comercial (Ca (OH)2) por uma tonelada de resíduo fresco com um período mínimo de secagem de 2 meses. Outra das medidas de minimização de impactes selecionada foi a implantação de uma cortina arbórea ao redor da instalação. Sendo o resíduo em estudo muito heterogéneo, constituído principalmente por areias, terras e gradados, a valorização foi equacionada mas não foram encontrados alternativas viáveis. O destino final considerado como mais adequado tendo em conta todas as características do resíduo e eluato, analisadas de acordo com o previsto no Decreto-Lei n.º 183/2009 de 10 de Agosto, foi o aterro para resíduos não perigosos. Foi também objecto do estudo a identificação e análise de todos os aspectos ambientais relacionados com a gestão de resíduos e a avaliação da sua significância. Dos aspectos ambientais identificados como significativos, destacam-se aqueles que ocorrem presentemente, os resíduos armazenados (gradados/limpeza de redes), e os que podem ocorrer em situações de emergência, fuga/derrame de óleos/combustíveis e cheiros/odores. De forma a minimizar os aspectos ambientais identificados, e de acordo com a norma NP EN ISO 14001, foram propostas ações que constam de um programa de gestão elaborado para este trabalho, onde se definem os objectivos, metas e prazos. As principais medidas propostas no programa de gestão foram: Estabilização com cal (inicial e reforço se necessário); melhoria do espaço envolvente; análise de questões de saúde ocupacional/segurança; adjudicação de prestação de serviços da recolha por operador licenciado; implantação da cortina arbórea; registo no SIRAPA; criação de planos de emergência ambiental e de segurança.

Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

Demand response in future power systems management – a conceptual framework and simulation tool

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Cogeração e trigeração. Um caso prático

A necessidade de diminuir os consumos de energia, não só por questões financeiras mas, essencialmente, por questões ambientais fez com que fossem feitos esforços no sentido da implementação de sistemas de energias renováveis ou mesmo com rendimentos o mais elevados possíveis. Surge, então, em alternativa às grandes centrais convencionais e às redes de distribuição em alta tensão, a produção descentralizada de eletricidade, sendo que a cogeração era em finais de 2010 segundo a Galp Energia, responsável pela produção de cerca de 12% de todo o consumo de eletricidade no país e por 34% da produção em regime especial. A cogeração/trigeração surge como uma tecnologia interessante ao garantir economias de energia e competitividade acrescida às empresas e consiste basicamente na produção combinada de energia térmica e elétrica num mesmo equipamento, destinando‐se ambas ao consumo da própria empresa ou de terceiros, evitando ou atenuando a utilização de equipamentos próprios de produção de calor e aquisição de energia elétrica à rede. Neste artigo vamos familiarizar‐nos com esta solução energética, a cogeração/trigeração, que prova ser bastante eficiente, aplicando os princípios da produção combinada de eletricidade, calor e frio.

Modified particle swarm optimization for day-ahead distributed energy resources scheduling including vehicle-to-grid

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

GAIC: Um sistema inteligente e flexível para simulação e apoio à participação de pequenos e médios consumidores na gestão ativa de cargas no âmbito de smart grids

A liberalização dos mercados de energia e a utilização intensiva de produção distribuída tem vindo a provocar uma alteração no paradigma de operação das redes de distribuição de energia elétrica. A continuidade da fiabilidade das redes de distribuição no contexto destes novos paradigmas requer alterações estruturais e funcionais. O conceito de Smart Grid vem permitir a adaptação das redes de distribuição ao novo contexto. Numa Smart Grid os pequenos e médios consumidores são chamados ao plano ativo das participações. Este processo é conseguido através da aplicação de programas de demand response e da existência de players agregadores. O uso de programas de demand response para alcançar benefícios para a rede encontra-se atualmente a ser estudado no meio científico. Porém, existe a necessidade de estudos que procurem benefícios para os pequenos e médios consumidores. O alcance dos benefícios para os pequenos e médios consumidores não é apenas vantajoso para o consumidor, como também o é para a rede elétrica de distribuição. A participação, dos pequenos e médios consumidores, em programas de demand response acontece significativamente através da redução de consumos energéticos. De modo a evitar os impactos negativos que podem provir dessas reduções, o trabalho aqui proposto faz uso de otimizações que recorrem a técnicas de aprendizagem através da utilização redes neuronais artificiais. Para poder efetuar um melhor enquadramento do trabalho com as Smart Grids, será desenvolvido um sistema multiagente capaz de simular os principais players de uma Smart Grid. O foco deste sistema multiagente será o agente responsável pela simulação do pequeno e médio consumidor. Este agente terá não só que replicar um pequeno e médio consumidor, como terá ainda que possibilitar a integração de cargas reais e virtuais. Como meio de interação com o pequeno e médio consumidor, foi desenvolvida no âmbito desta dissertação um sistema móvel. No final do trabalho obteve-se um sistema multiagente capaz de simular uma Smart Grid e a execução de programas de demand response, sSendo o agente representante do pequeno e médio consumidor capaz de tomar ações e reações de modo a poder responder autonomamente aos programas de demand response lançados na rede. O desenvolvimento do sistema permite: o estudo e análise da integração dos pequenos e médios consumidores nas Smart Grids por meio de programas de demand response; a comparação entre múltiplos algoritmos de otimização; e a integração de métodos de aprendizagem. De modo a demonstrar e viabilizar as capacidades de todo o sistema, a dissertação inclui casos de estudo para as várias vertentes que podem ser exploradas com o sistema desenvolvido.

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Gestão de Recursos Energéticos para Apoio à Operação dos Virtual Power Players

A liberalização dos mercados de energia elétrica e a crescente integração dos recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição, nomeadamente as unidades de produção distribuída, os sistemas de controlo de cargas através dos programas de demand response, os sistemas de armazenamento e os veículos elétricos, representaram uma evolução no paradigma de operação e gestão dos sistemas elétricos. Este novo paradigma de operação impõe o desenvolvimento de novas metodologias de gestão e controlo que permitam a integração de todas as novas tecnologias de forma eficiente e sustentável. O principal contributo deste trabalho reside no desenvolvimento de metodologias para a gestão de recursos energéticos no contexto de redes inteligentes, que contemplam três horizontes temporais distintos (24 horas, 1 hora e 5 minutos). As metodologias consideram os escalonamentos anteriores assim como as previsões atualizadas de forma a melhorar o desempenho total do sistema e consequentemente aumentar a rentabilidade dos agentes agregadores. As metodologias propostas foram integradas numa ferramenta de simulação, que servirá de apoio à decisão de uma entidade agregadora designada por virtual power player. Ao nível das metodologias desenvolvidas são propostos três algoritmos de gestão distintos, nomeadamente para a segunda (1 hora) e terceira fase (5 minutos) da ferramenta de gestão, diferenciados pela influência que os períodos antecedentes e seguintes têm no período em escalonamento. Outro aspeto relevante apresentado neste documento é o teste e a validação dos modelos propostos numa plataforma de simulação comercial. Para além das metodologias propostas, a aplicação permitiu validar os modelos dos equipamentos considerados, nomeadamente, ao nível das redes de distribuição e dos recursos energéticos distribuidos. Nesta dissertação são apresentados três casos de estudos, cada um com diferentes cenários referentes a cenários de operação futuros. Estes casos de estudos são importantes para verificar a viabilidade da implementação das metodologias e algoritmos propostos. Adicionalmente são apresentadas comparações das metodologias propostas relativamente aos resultados obtidos, complexidade de gestão em ambiente de simulação para as diferentes fases da ferramenta proposta e os benefícios e inconvenientes no uso da ferramenta proposta.