Anteprojeto de um sistema digital de proteção e controle aplicado em uma subestação elétrica industrial

With the growth of the demand on electric energy in the last decades, the urban distribution and transmission systems have experienced a bigger necessity to improve on the substations, the automation procedures and techniques on the operation maneuvers of such systems, in a sense that better attends the quality levels, availability, continuity and operational reliability. In this way, the objective of the present paper is to perform a study of protection and control on an electrical industrial system involving the procedures of digitizing and maneuvers automatism utilizing operational techniques and other pertinent information used in a typical high-voltage Industrial Electrical System. Analysis were made on short-circuits to specify the main components of the 138 [kV] substation, in addition, there were used digital MiCOM relays to make the protection of the present elements. With that, a program was developed to allow the user to monitor the condition of circuit-breakers through a supervision screen being able to simulate some kinds of faults, as well as observing the characteristics of each device. This way, the importance of having a fast and reliable system that ensures the equipment’s protection and the industrial process continuity due to faults on the electrical system is noticeable. It’s important to highlight that all this digitizing was mainly favored by the development of digital technology on the last years, mainly on microelectronics, also with the appearance of supervision gadgets allowing the development of complex systems in supervision and electric energy control

Compensador série controlado a tiristores na distribuição: Compensação dinâmica

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Modelo de leilão de energia multiperíodo com representação linearizada da transmissão e da coordenação com o médio prazo para sistemas hidrotérmicos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento de algoritmo de controle de tração para regeneração de energia metroviária - ACTREM: melhoria da eficiência energética de sistemas de tração metroviária.

Esta tese propõe um modelo de regeneração de energia metroviária, baseado no controle de paradas e partidas do trem ao longo de sua viagem, com o aproveitamento da energia proveniente da frenagem regenerativa no sistema de tração. O objetivo é otimizar o consumo de energia, promover maior eficiência, na perspectiva de uma gestão sustentável. Aplicando o Algoritmo Genético (GA) para obter a melhor configuração de tráfego dos trens, a pesquisa desenvolve e testa o Algoritmo de Controle de Tração para Regeneração de Energia Metroviária (ACTREM), usando a Linguagem de programação C++. Para analisar o desempenho do algoritmo de controle ACTREM no aumento da eficiência energética, foram realizadas quinze simulações da aplicação do ACTREM na linha 4 - Amarela do metrô da cidade de São Paulo. Essas simulações demonstraram a eficiência do ACTREM para gerar, automaticamente, os diagramas horários otimizados para uma economia de energia nos sistemas metroviários, levando em consideração as restrições operacionais do sistema, como capacidade máxima de cada trem, tempo total de espera, tempo total de viagem e intervalo entre trens. Os resultados mostram que o algoritmo proposto pode economizar 9,5% da energia e não provocar impactos relevantes na capacidade de transporte de passageiros do sistema. Ainda sugerem possíveis continuidades de estudos.

Distribuição de derivados de petróleo por redes de polidutos: uma abordagem através de algoritmos evolucionários híbridos para um problema triobjetivo

An important problem faced by the oil industry is to distribute multiple oil products through pipelines. Distribution is done in a network composed of refineries (source nodes), storage parks (intermediate nodes), and terminals (demand nodes) interconnected by a set of pipelines transporting oil and derivatives between adjacent areas. Constraints related to storage limits, delivery time, sources availability, sending and receiving limits, among others, must be satisfied. Some researchers deal with this problem under a discrete viewpoint in which the flow in the network is seen as batches sending. Usually, there is no separation device between batches of different products and the losses due to interfaces may be significant. Minimizing delivery time is a typical objective adopted by engineers when scheduling products sending in pipeline networks. However, costs incurred due to losses in interfaces cannot be disregarded. The cost also depends on pumping expenses, which are mostly due to the electricity cost. Since industrial electricity tariff varies over the day, pumping at different time periods have different cost. This work presents an experimental investigation of computational methods designed to deal with the problem of distributing oil derivatives in networks considering three minimization objectives simultaneously: delivery time, losses due to interfaces and electricity cost. The problem is NP-hard and is addressed with hybrid evolutionary algorithms. Hybridizations are mainly focused on Transgenetic Algorithms and classical multi-objective evolutionary algorithm architectures such as MOEA/D, NSGA2 and SPEA2. Three architectures named MOTA/D, NSTA and SPETA are applied to the problem. An experimental study compares the algorithms on thirty test cases. To analyse the results obtained with the algorithms Pareto-compliant quality indicators are used and the significance of the results evaluated with non-parametric statistical tests.

Proteção em sistemas elétricos com geração distribuída utilizando a transformada wavelet

A typical electrical power system is characterized by centr alization of power gene- ration. However, with the restructuring of the electric sys tem, this topology is changing with the insertion of generators in parallel with the distri bution system (distributed gene- ration) that provides several benefits to be located near to e nergy consumers. Therefore, the integration of distributed generators, especially fro m renewable sources in the Brazi- lian system has been common every year. However, this new sys tem topology may result in new challenges in the field of the power system control, ope ration, and protection. One of the main problems related to the distributed generati on is the islanding formation, witch can result in safety risk to the people and to the power g rid. Among the several islanding protection techniques, passive techniques have low implementation cost and simplicity, requiring only voltage and current measuremen ts to detect system problems. This paper proposes a protection system based on the wavelet transform with overcur- rent and under/overvoltage functions as well as infomation of fault-induced transients in order to provide a fast detection and identification of fault s in the system. The propo- sed protection scheme was evaluated through simulation and experimental studies, with performance similar to the overcurrent and under/overvolt age conventional methods, but with the additional detection of the exact moment of the fault.

Energia eólica em alto mar: distribuição dos recursos e complementaridade hídrica

The stabilization of energy supply in Brazil has been a challenge for the operation of the National Interconnected System in face of hydrological and climatic variations. Thermoelectric plants have been used as an emergency source for periods of water scarcity. The utilization of fossil fuels, however, has elevated the cost of electricity. On the other hand, offshore wind energy has gained importance in the international context and is competitive enough to become a possibility for future generation in Brazil. In this scenario, the main goal of this thesis was to investigate the magnitude and distribution of offshore wind resources, and also verify the possibilities of complementing hydropower. A data series of precipitation from the Climatic Research Unit (CRU) Blended Sea Winds from the National Climatic Data Center (NCDC/NOAA) were used. According to statistical criteria, three types of complementarity were found in the Brazilian territory: hydro × hydro, wind × wind and hydro × wind. It was noted a significant complementarity between wind and hydro resources (r = -0.65), mainly for the hydrographical basins of the southeast and central regions with Northeastern Brazil winds. To refine the extrapolation of winds over the ocean, a method based on the Monin-Obukhov theory was used to model the stability of the atmospheric boundary layer. Objectively Analyzed Air-Sea Flux (OAFLUX) datasets for heat flux, temperature and humidity, and also sea level pressure data from NCEP/NCAR were used. The ETOPO1 from the National Geophysical Data Center (NGDC/NOAA) provided bathymetric data. It was found that shallow waters, between 0-20 meters, have a resource estimated at 559 GW. The contribution of wind resources to hydroelectric reservoir operation was investigated with a simplified hybrid wind-hydraulic model, and reservoir level, inflow, outflow and turbine production data. It was found that the hybrid system avoids drought periods, continuously saving water from reservoirs through wind production. Therefore, from the results obtained, it is possible to state that the good winds from the Brazilian coast can, besides diversifying the electric matrix, stabilize the hydrological fluctuations avoiding rationing and blackouts, reducing the use of thermal power plants, increasing the production cost and emission of greenhouse gases. Public policies targeted to offshore wind energy will be necessary for its full development.

Contribuições para estratégia de controle aplicada à geração fotovoltaica interconectada à rede elétrica

Generation systems, using renewable sources, are becoming increasingly popular due to the need for increased use of electricity. Currently, renewables sources have a role to cooperate with conventional generation, due to the system limitation in delivering the required power, the need for reduction of unwanted effects from sources that use fossil fuels (pollution) and the difficulty of building new transmission and/or distribution lines. This cooperation takes place through distributed generation. Therefore, this work proposes a control strategy for the interconnection of a PV (Photovoltaic) system generation distributed with a three-phase power grid through a connection filter the type LCL. The compensation of power quality at point of common coupling (PCC) is performed ensuring that the mains supply or consume only active power and that his currents have low distorcion. Unlike traditional techniques which require schemes for harmonic detection, the technique performs the harmonic compensation without the use of this schemes, controlling the output currents of the system in an indirect way. So that there is effective control of the DC (Direct Current) bus voltage is used the robust controller mode dual DSMPI (Dual-Sliding Mode-Proportional Integral), that behaves as a sliding mode controller SM-PI (Sliding Mode-Proportional Integral) during the transition and like a conventional PI (Proportional Integral) in the steady-state. For control of current is used to repetitive control strategy, which are used double sequence controllers (DSC) tuned to the fundamental component, the fifth and seventh harmonic. The output phase current are aligned with the phase angle of the utility voltage vector obtained from the use of a SRF-PLL (Synchronous Reference Frame Phase-Locked-Loop). In order to obtain the maximum power from the PV array is used a MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm without the need for adding sensors. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control system.

Utilização da transformada de wavelet para detecção de variações anormais de tensão em sistemas elétricos com geração distribuída

The increasing demand in electricity and decrease forecast, increasingly, of fossil fuel reserves, as well as increasing environmental concern in the use of these have generated a concern about the quality of electricity generation, making it well welcome new investments in generation through alternative, clean and renewable sources. Distributed generation is one of the main solutions for the independent and selfsufficient generating systems, such as the sugarcane industry. This sector has grown considerably, contributing expressively in the production of electricity to the distribution networks. Faced with this situation, one of the main objectives of this study is to propose the implementation of an algorithm to detect islanding disturbances in the electrical system, characterized by situations of under- or overvoltage. The algorithm should also commonly quantize the time that the system was operating in these conditions, to check the possible consequences that will be caused in the electric power system. In order to achieve this it used the technique of wavelet multiresolution analysis (AMR) for detecting the generated disorders. The data obtained can be processed so as to be used for a possible predictive maintenance in the protection equipment of electrical network, since they are prone to damage on prolonged operation under abnormal conditions of frequency and voltage.

Aplicação dos Sistemas de Informação Geográfica nas energias renováveis: o potencial da energia solar na ilha de São Vicente – Cabo Verde

Informação Geográfica (SIG) ao estudo das energias renováveis, tendo como caso avaliar o potencial solar na ilha de São Vicente do arquipélago de Cabo Verde. A energia do sol é a principal fonte de energia renovável, e está disponível em quase todas as regiões do planeta. Quantificar o potencial energético solar de um lugar ou região é indispensável, para avaliar as potencialidades de produção de energia fotovoltaica. Outro fator importante prende-se com ordenamento territorial associado à exploração desses recursos energéticos, pelo que devem ser avaliadas as condições técnicas, ambientais e económicas, quando se pretende instalar parques para a produção de energia fotovoltaica. Assim, neste trabalho foram aplicadas as ferramentas SIG, para quantificar a radiação solar mensal e anual da ilha de São Vicente, arquipélago de Cabo Verde, através do modelo Solar Analyst. Numa segunda fase, aplicou-se a técnica de análise multicritério em combinação com os SIGs para definir as áreas mais favoráveis para a instalação de parques de produção de energia elétrica a partir da energia solar. Para o cálculo da radiação solar na ilha de São de Vicente, utilizou-se o modelo digital de terreno (MDT) e a latitude da ilha como parâmetros de entrada ao modelo. Para a análise multicritério definiram-se um conjunto de critérios que devem ser considerados na implementação de parques solares, nomeadamente, a disponibilidade de radiação solar existente na área, a distância à rede de transporte de energia elétrica e à rede viária, o declive do terreno, o uso e ocupação do solo e a proximidade às linhas de água. Para auxiliar na atribuição dos pesos aos critérios utilizados na análise aplicou-se a método Analytic Hierarchy Process (AHP). As áreas resultantes do processo da análise multicritério, foram confrontadas com a Carta de Condicionantes do esquema regional de ordenamento da ilha de São Vicente, aferindo a conformidade das propostas e reajustes subsequentes, de modo a obter os resultados finais.

Metodologia para redução de perdas e aumento de fiabilidade em redes de distribuição

Esta dissertação incide na aplicação de uma metodologia para a localização e dimensionamento de dispositivos, que permitem reconfigurações de redes de distribuição (órgãos de corte de rede), tendo por objectivo a minimização de perdas e aumento da fiabilidade incorporando não só aspectos técnicos como também económicos. Para efectuar a avaliação técnica foram utilizados métodos de redução de perdas e de aumento da fiabilidade. Para elaborar a avaliação económica, foram utilizados os rácios B/C, VAL e a TIR para cada reconfiguração de rede identificada. Na redução de perdas, foi aplicado um algoritmo que para diferentes níveis de carga identificada a melhor configuração da rede que minimiza as perdas. Para cada configuração da rede identificada anteriormente foi avaliada a correspondente fiabilidade, tendo por base os indicadores da qualidade de serviço aprovados e definidos por entidades reguladoras. As configurações escolhidas foram avaliadas com base nos ganhos obtidos na redução de perdas e no aumento de fiabilidade. Estes métodos foram aplicados a uma rede de distribuição real, e a escolha incidiu na rede eléctrica de São Vicente em Cabo Verde. No final foi elaborada uma avaliação económica que serviu de suporte à decisão técnica. A aplicação dos métodos permitiu evidenciar que com a colocação de órgãos de telecomando da rede em 6 locais, obtém-se uma redução de perdas de cerca 5,3% e energia não distribuída de 41,1% em cada ano. Analisando o investimento para o período de vida útil dos órgãos de corte de rede (15 anos), apresenta um rácio B / C = 3,50, VAL = 511k€ e uma TIR = 69,4%.

Impacto da integração dos veículos eléctricos nos edifícios multi-habitacionais, nas redes de distribuição de baixa tensão e no diagrama de carga nacional

Associado à escassez dos combustíveis fósseis e ao desejado controlo de emissões nocivas para a atmosfera, assistimos no mundo ao desenvolvimento do um novo paradigma — a mobilidade eléctrica. Apesar das variações de maior ou menor arbítrio político dos governos, do excelente ou débil desenvolvimento tecnológico, relacionados com os veículos eléctricos, estamos perante um caminho, no que diz respeito à mobilidade eléctrica, que já não deve ser encarado como uma moda mas como uma orientação para o futuro da mobilidade. Portugal tendo dado mostras que pretende estar na dianteira deste desafio, necessita equacionar e compreender em que condições existirá uma infra-estrutura nacional capaz de fazer o veículo eléctrico vingar. Assim, neste trabalho, analisa-se o impacto da mobilidade eléctrica em algumas dessas infra-estruturas, nomeadamente nos edifícios multi-habitacionais e redes de distribuição em baixa tensão. São criados neste âmbito, quatro perfis de carregamento dos EVs nomeadamente: nas horas de chegada a casa; nas horas de vazio com início programado pelo condutor; nas horas de vazio controlado por operador de rede (“Smart Grid”); e um cenário que contempla a utilização do V2G. Com a obrigação legal de nos novos edifícios serem instaladas tomadas para veículos eléctricos, é estudado, com os cenários anteriores a possibilidade de continuar a conceber as instalações eléctricas, sem alterar algumas das disposições legais, ao abrigo dos regulamentos existentes. É também estudado, com os cenários criados e com a previsão da venda de veículos eléctricos até 2020, o impacto deste novo consumo no diagrama de carga do Sistema Eléctrico Nacional. Mostra-se assim que a introdução de sistemas inteligentes de distribuição de energia [Smartgrid e vehicle to grid” (V2G)] deverá ser encarada como a solução que por excelência contribuirá para um aproveitamento das infra-estruturas existentes e simultaneamente um uso acessível para os veículos eléctricos.

Negociação bilateral em mercados de energia eléctrica multi-agente com participação activa dos consumidores

Nos últimos anos, o sector elétrico tem sofrido profundas alterações decorrentes do processo de reestruturação. Como consequência, surgiram diferentes estruturas de mercado, tais como em bolsa, contratos bilaterais e mistos, tendo como objectivo o aumento da competitividade. Nos mercados competitivos, os consumidores de electricidade podem escolher livremente os seus fornecedores de energia, em função de possíveis vantagens económicas e da qualidade do serviço. A comercialização de electricidade pode ser realizada em mercados organizados ou através de contratação bilateral entre comercializadores e consumidores. Actualmente, existem várias ferramentas de simulação baseadas em técnicas multiagente que permitem modelar, parcialmente ou na totalidade, os mercados de electricidade, possibilitando simulações de negociação de preços e volumes através de contratos bilaterais, transacções em bolsas de energia, etc. No entanto, estas ferramentas apresentam algumas limitações devido à complexidade dos sistemas elétricos. Neste contexto, esta dissertação tem como principal objectivo desenvolver um simulador de contratos bilaterais em mercados de energia elétrica, baseado na tecnologia multi-agente. O simulador inclui dois tipos de entidades: retalhistas e consumidores de electricidade com diferentes perfis de carga. Além disso, é composto por várias estratégias de negociação, que têm como objectivo maximizar o benefício dos agentes retalhistas e minimizar o custo dos consumidores finais de electricidade. Uma das estratégias, referente ao consumidor, é direccionada para a eficiência no consumo, sendo baseada na conhecida técnica de Participação Activa dos Consumidores (ou Demand Response). O teste do simulador foi efectuado através da resolução de dois casos práticos, baseados em dados do MIBEL. De forma sucinta, os resultados obtidos com as estratégias permitem concluir que os intervenientes no mercado apresentam um comportamento esperado na gestão de preços e volumes de energia, constatando-se que a ferramenta desenvolvida constitui um auxiliar importante à tomada de decisão inerente à negociação bilateral em mercados de electricidade.

Análise do produtor-consumidor enquanto interveniente da rede elétrica inteligente

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo 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.