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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automtica, CBA 2012.

ISBN: 978-85-8001-069-5

ILHAMENTO INTENCIONAL DA GERAO DISTRIBUDA PARA AUMENTO DA

CONFIABILIDADE DO SISTEMA

RARAEL R. LONDERO, CAROLINA M. AFFONSO, MARCUS V. A. NUNES

Faculdade de Engenharia Eltrica, Universidade Federal do Par

Rua Augusto Corra No. 01, Guam, 66075-110, Belm, Par, Brasil

E-mails: [email protected],[email protected]

Abstract Traditionally, interconnection standards avoid islanding operation of distributed generation (DG) due to the con-

cerns of equipment failure and safety issues. However, allowing the islanded operation of distributed generation may enhance re-

liability to final consumers and decrease outage cost by providing an alternative power source when there is an interruption in

the upstream network. This paper presents an impact study case of a operational strategy regarding planned islanding operation

of distributed generation in a Brazilian system. The analysis presented in this paper includes the behaviour of the islanded sys-

tem under load following and load rejection, faults and varying short-circuit level. In order to successfully adopt the intentional

islanding strategy, the results show that some adjustments are necessary to automatically change DG controls after islanding,

maintaining voltage and frequency levels within the normative standards in the islanded system.

Keywords Distributed generation (DG), dynamic performance, impact study, planned islanding.

Resumo Tradicionalmente normas tcnicas recomendam que a operao da gerao distribuda (GD) de forma ilhada seja

evitada, de modo que os geradores devem ser desconectados do sistema imediatamente aps a deteco do ilhamento. Com a

presena da GD, surge a possibilidade de ilhamento intencional, que ocorre ao manter a gerao distribuda desconectada da

gerao principal atendendo parte da rede, aumentando a confiabilidade do sistema, reduzindo custos associados a interrupes

no fornecimento de energia eltrica. Neste contexto este artigo apresenta um estudo de impacto da estratgia de ilhamento

intencional de uma gerao distribuda do tipo PCH em um sistema real localizado na regio norte do Brasil. As anlises

apresentadas neste artigo incluem o comportamento do sistema ilhado diante de variaes na carga e faltas, alm de um estudo

acerca do nvel de curto-circuito antes e aps o ilhamento. Os resultados mostram que o procedimento de ilhamento intencional

seja adotado com sucesso, so necessrias adequaes para alterao automtica dos controles dos geradores distribudos aps o

ilhamento, de forma a manter os nveis de tenso e frequncia dentro dos padres normativos no sistema ilhado.

Palavras-chave gerao distribuda (GD), desempenho dinmico, ilhamento intencional.

1 Introduo

O uso de fontes de gerao distribuda tem se

tornado cada vez mais evidente em diversos pases,

principalmente pela necessidade do uso de fontes

limpas de energia. As tecnologias aplicadas a gerao

distribuda (GD) compreendem geradores baseados

em biomassa, microturbinas, clulas combustveis,

geradores elicos, energia solar, pequenas centrais

hidreltricas (PCHs) e etc.A gerao distribuda tem

como caracterstica a utilizao de pequenas

unidades geradoras instaladas mais prximas aos

centros de consumo, muitas vezes conectadas

diretamente a clientes ou subestaes de distribuio

(Jenkins, 2000). Este tipo de gerao pode ser

utilizado de modo isolado, suprindo a demanda local,

ou de modo integrado, fornecendo energia ao restante

do sistema eltrico (Mahat, 2010).

O aumento do nvel de penetrao da GD tem

possibilitado adotar novas estratgias operacionais

que podem contribuir para manter a confiabilidade do

sistema. Uma destas estratgias refere-se ao

ilhamento intencional, que um procedimento

planejado da operao, tal qual uma manobra, em

que formam-se ilhas eltricas no sistema com a

gerao distribuda atendendo uma determinada

parcela da carga. O ilhamento intencional pode

ocorrer por motivos inesperados, como faltas no

sistema, ou por situaes planejadas como a

manuteno programada.

A operao da GD de modo ilhado e conectado a

rede principal possui condies de funcionamentos

bem distintos, sendo necessrio estudo do nvel de

falta, coordenao dos rels de proteo e

atendimento da tenso e frequncia em nveis

aceitveis. Devido a estas questes tcnicas e de

segurana, a prtica atualmente utilizada pelas

concessionrias e recomendada pelos principais guias

tcnicos desconectar todos os geradores da rede

isolada to logo ocorra um ilhamento (Cigr 1999;

IEEE 2000).

No entanto, o ilhamento intencional pode ser

utilizado para minimizar os danos causados por

grandes perturbaes nos sistemas eltricos,

mantendo o atendimento a parte do sistema ou a

cargas prioritrias, aumentando a confiabilidade da

rede e melhorando o ndice de desempenho referente

ao nmero de consumidores desernegizados (FEC).

O ilhamento intencional nada mais do que a

abertura coordenada de disjuntores com intuito de

isolar o sistema de distribuio que contm a gerao

distribuda. Alguns autores apresentam estudos

referentes ao ilhamento intencional (Fuangfoo, 2007;

Seca, 2005). Porm, vale lembrar que este

procedimento deve fazer parte de um plano contendo

uma srie de estudos.

Neste contexto, este artigo apresenta um estudo

de caso da estratgia de ilhamento intencional com

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gerao distribuda do tipo PCH em um sistema

Brasileiro. O estudo realizado analisa o sistema

ilhado quando sujeito a variaes na demanda e

faltas, alm de anlises do nvel de curto-circuito.

Este artigo est estruturado como segue. A seo

2 apresenta o sistema utilizado com dados reais de

operao. A seo 3 apresenta os casos especficos

em que o ilhamento ocorre e procedimentos para sua

formao. Os resultados so apresentados na seo 4.

A seo 5 apresenta as principais concluses deste

estudo.

2 Sistema de Estudo

O sistema utilizado neste artigo localiza-se na

regio norte do pas e est conectado com o Sistema

Interligado Nacional Brasileiro (SIN). A Figura 1

apresenta o diagrama uinfilar do sistema composto

basicamente por linhas de transmisso de 230kV e

138kV e duas fontes de gerao de energia: a gerao

principal, com capacidade de 8,1 GW, e a gerao

distribuda, com capacidade de 30MW. Os principais

centros de carga representam pequenas cidades. A

Tabela 1 apresenta a gerao e demanda de potncia

ativa e reativa para a condio de carga pesada do

sistema, a qual utilizada nos estudos por ser uma

situao mais pessimista. Nota-se que a potencia

instalada da GD no atende a demanda da rea

ilhada.

Tabela 1. Gerao e demanda do sistema (MW/MVar)

Gerao Demanda

MW MVar MW MVar

Sistema principal 151,3 -38,9 129,2 31,9

rea ilhada 27,0 2,2 43,6 9,3

A fonte de gerao distribuda modelada por um

gerador sncrono de polos salientes com 2 mquinas

de 12,5MVA e 1 mquina de 10,84MVA,

representadas por um modelo de quinta ordem

(Kundur, 1994). A tenso nominal do gerador de

6,9kV com frequncia nominal de 60Hz.

Existem duas polticas adotadas por

concessionrias para o controle do sistema de

excitao de geradores distribudos: tenso constante

ou fator de potncia constante (Jenkins, 2000). O

modo fator de potncia constante usualmente

adotado por produtores independentes com o

objetivo de maximizar a produo de potncia ativa,

a qual ressarcida. Assim, neste trabalho adotou-se o

modo de controle de fator de potncia constante de

acordo com as prticas adotadas pelas

concessionrias de energia. Para a modelagem dos

reguladores de tenso foi adotado o modelo IEEE

tipo 1 (Kundur, 1994) e para os reguladores de

velocidade o modelo utilizado segue a referencia

(IEEE, 1992).

A componente de potncia ativa das cargas nas

barras de 13,8kV foi considerada como 50%

impedncia constante e 50% potncia constante, e a

componente de potncia reativa como 100%

impedncia constante conforme sugerido pelo

Operador Nacional do Sistema (ONS, 2008).

Os esquemas de proteo adotados neste estudo

seguem as prticas empregadas na concessionria e

so apresentados na Tabela 2. As simulaes

computacionais foram realizadas utilizando os

softwares ANAREDE para estudos de fluxo de carga

e ANATEM para anlise de transitrios

eletromecnicos, ambos desenvolvidos pelo CEPEL.

Tabela 2. Esquemas de proteo

Tempo de

atuao Localizao

Proteo de distncia 80 ms todas as LTs

Proteo de subtenso 60 ms LT 800-5150

Proteo de sub-frequncia 2 s barras 755 e 760

Figura 1. Diagrama do sistema de estudo.

500kV

6410

13.8kV

230kV

6420

230kV

6415

230kV

6510 230kV

6530

230kV

6540

13.8kV

230kV

750

13.8kV

138kV

800

138kV

5150

13.8kV

755

138kV

5160 13.8kV

760 138kV

5155

138kV

5170 138kV

5165

138kV

780

GD 6.9kV

751

752

753

Gerao

Principal

230kV

5200

230kV

5205 230kV

5210

13.8kV

69kV

REA ILHADA

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3 Ilhamento Intencional

O ilhamento pode ser ocasionado por faltas no

sistema ou pela necessidade de manuteno

programada. Este estudo tem como foco o ilhamento

ocasionado pela ocorrncia de curtos-circuitos na

rede.

Quando uma falta ocorre em uma das linhas de

transmisso (6420-6415, 6415-6510, 6510-6530,

6530-6540), a gerao principal desconectada aps

a eliminao da falta pela abertura da linha de

transmisso. A gerao distribuda ento

responsvel pelo atendimento de toda a demanda do

sistema. No entanto, a potncia instalada da GD

(27MW) menor que a demanda, ocasionando um

afundamento de tenso. O rel de sub-tenso da LT

800-5150 atua desconectando parte do sistema,

isolando a regio indicada na Figura 1 pela linha

tracejada. Neste momento forma-se uma ilha onde a

carga maior do que a potncia fornecida pela

gerao distribuda. Como consequncia a frequncia

do sistema ir diminuir e o rel de sub-frequncia ir

atuar desconectando parte das cargas das barras 760

e 755 de modo a equilibrar a gerao e a demanda,

restaurando a frequncia do sistema para 60Hz. A

Figura 2 apresenta o sistema ilhado aps o corte

parcial da carga ser aplicado.

Assim, em casos emergenciais, ao invs de

desconectar a GD a estratgia efetuar o ilhamento

intencional de modo a minimizar as cargas

desconectadas do sistema, mantendo o suprimento de

energia em parte da rede. A GD tem ento dois

esquemas bsicos de operao: conectado a rede

principal e ilhado. Como estes dois modos de

operao possuem requisitos bem distintos, este

artigo apresenta um estudo de impacto analisando os

seguintes aspectos do sistema ilhado:

atendimento a variaes da carga;

nvel de curto-circuito;

faltas.

Figura 2. Sistema ilhado.

4 Anlise de Caso Ilhado

4.1 Atendimento a variaes da carga

Em um sistema ilhado, a gerao distribuda deve

ser capaz de atender a variaes na demanda em

nveis apropriados de tenso e frequncia, visto que a

demanda de energia eltrica no permanece constante

ao longo do tempo. Nesta seo so apresentados

resultados referentes a capacidade da gerao

distribuda acompanhar variaes na carga a cada 5

segundos conforme ilustra a Figura 3. Neste caso

simulou-se uma rejeio de carga de 20% da

demanda total do sistema.

A Figura 4 apresenta as variaes que ocorrem na

tenso durante as variaes da carga nos principais

centros de carga do sistema ilhado. Nota-se que

quando a demanda do sistema aumenta a tenso cai e

vice-versa. Os resultados mostram que a gerao

distribuda capaz de absorver as variaes de carga.

0 5 10 15 20 25 30 3523

24

25

26

27

28

29

30

31

Tempo (segundos)

Dem

anda T

ota

l do S

iste

ma (

MW

)

20%

rejeio de carga

Figura 3. Variao na carga.

0 5 10 15 20 25 30 350.96

0.98

1

1.02

1.04

1.06

1.08

Tempo (segundos)

Tenso (

p.u

.)

barra 760

barra 755

Figura 4. Comportamento da tenso durante variaes na carga.

A Figura 5 apresenta a potncia ativa e reativa

durante as variaes de carga. O aumento na

demanda do sistema seguido por um aumento na

potncia ativa do gerador. Todas as mquinas da GD

dividem a carga do sistema na mesma proporo

devido ao mesmo estatismo. Quando a tenso

decresce o gerador injeta potncia reativa para

138kV

5150

13,8kV

755

138kV

5160 13,8kV

760 138kV

5155

138kV

5170 138kV

5165

138kV

780

Gerao

Distribuda 6.9kV

751

752

753

5,1MW

0,6MVar

20,1MW

5,1MVar

1,5MW

0,3MVar

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manter o nvel de tenso.

0 5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

Tempo (segundos)

Pot

ncia

Tota

l F

orn

ecid

a p

ela

GD

Potncia activa (MW)

Potncia reativa (MVar)

Figura 5. Comportamento da potncia fornecida pela GD durante

variaes na carga.

A Figura 6 mostra que o sistema permanece em

sincronismo durante as variaes de carga. A

frequncia diminui quando a demanda total do

sistema aumenta e vice-versa. Uma rejeio de carga

de 20% cria um desvio de frequncia de

aproximadamente 2 Hz por menos de 5 segundos.

Conclui-se assim que a GD consegue operar

apropriadamente de modo ilhado no que se refere a

variaes na carga.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Tempo (segundos)

Desvio

de F

requncia

(H

z)

Figura 6. Desvio de frequncia durante variaes na carga.

4.2 Nvel de curto-circuito

A proteo do sistema eltrico fundamental para

manter a estabilidade na ocorrncia de uma falta, e

consequentemente precisa estar dimensionada de

forma adequada. Um dos parmetros utilizados para

dimensionar a proteo corretamente a avaliao do

nvel de curto circuito ou associadamente, a corrente

de curto-circuito.

O nvel de curto-circuito expresso em MVA e os

valores de corrente e tenso so usados em kA e kV,

respectivamente (Jenkins, 2000). Para o clculo do

nvel de curto-circuito, aplica-se uma falta na barra a

qual se deseja obter o nvel de curto-circuito, e em

seguida calcula-se a corrente de curto-circuito nesta

barra. Efetua-se o clculo do nvel de curto-circuito

pela equao (1).

S = 3 VL ICC (1)

onde VL tenso de linha nominal do barramento e

ICC a corrente de curto-circuito.

O nvel de curto-circuito de um sistema pode

variar significativamente quando operando no modo

ilhado ou conectado a rede. No entanto, o sistema

deve ter nveis adequados de esquemas de proteo

nos dois modos de operao. Para realizar esta

anlise aplicou-se um curto-circuito trifsico nas

barras para os casos: modo ilhado e modo conectado

a rede. A Tabela 3 apresenta os nveis de curto-

circuito obtidos para todos os casos em uma base de

100 MVA. Os resultados mostram nveis de correntes

de curto-circuito bem inferiores no modo ilhado.

Assim, faz-se necessrio um estudo detalhado para

redimensionamento dos elementos da proteo, para

que a mesma funcione adequadamente para as duas

situaes.

Tabela 3. Nveis de curto-circuito

Modo de

Operao

Corrente de curto-circuito (p.u.)

Barra 755 Barra 760 Barra 780 Barra 5170

Conectado 0,795 1,420 1,730 1,80

Ilhado 0,522 0,739 0,966 0,99

4.3 Faltas

O sistema ilhado em geral uma rede mais fraca.

Sendo assim, para se adotar uma estratgia de

ilhamento intencional deve-se analisar o

comportamento do sistema diante de faltas em

diversos pontos. Para esta anlise foram aplicados

trs tipos de faltas isoladamente:

Falta 1: curto-circuito trifsico franco aplicado

em 40% da linha 5170-780. A falta eliminada pela

atuao da proteo e abertura da linha aps 80ms.


na barra 755. A falta eliminada pela atuao da

proteo e desconexo da barra aps 80ms.


na barra 760. A falta eliminada pela atuao da

proteo e desconexo da barra aps 80ms.

As Figuras 7 e 8 apresentam as variaes de

frequncia e tenso na ocorrncia da falta 1 quando o

rel de subtenso da barra 760 projetado para atuar

em 70ms e 95ms, respectivamente. Embora a falta 1

ocorra prximo da GD, o afundamento de tenso no

gerador (barra 751) menor do que na barra 760.

Isto se deve ao fato do gerador injetar potncia

reativa durante a falta para manter o nvel de tenso

na barra 751. Assim, nota-se que a tenso na barra

760 atinge nveis inaceitveis, e dependendo do

ajuste do rel de subtenso, pode haver ou no o

desligamento da barra 760. Quando o rel atua em

70ms, a barra 760 desconectada do sistema

ocasionando uma elevao da frequncia pelo

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desequilbrio carga x gerao, como mostra a Figura

7. Neste caso a proteo de sobre-frequcia da

gerao distribuda atuaria ocasionando o

desligamento da unidade de gerao, inviabilizando a

operao de forma ilhada.

No entanto, quando o rel atua em 95ms, com

temporizao superior ao tempo de eliminao da

falta (80ms), a tenso na barra 760 se recupera, de

modo que a proteo de subtenso desta barra no

atua. Neste caso os nveis de frequncia permanecem

aceitveis. Assim, faz-se necessrio o ajuste

adequado da proteo.

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tempo (segundos)

Tenso (

p.u

.)

barra 751(GD)

barra 760

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

58

60

62

64

66

68

Tempo (segundos)

Fre

quncia

(H

z)

Figura 7. Afundamento de tenso e frequncia para falta 1 com

tempo de atuao do rel de subtenso igual a 70ms.

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tempo (segundos)

Tenso (

p.u

.)

barra 751(GD)

barra 760

1 2 3 4 5 659

60

61

62

63

Tempo (segundos)

Fre

quncia

(H

z)

Figura 8. Afundamento de tenso e frequncia para a falta 1 com

tempo de atuao do rel de subtenso igual a 95ms.

A Figura 9 apresenta o comportamento da tenso e

frequncia durante a falta 2. Nota-se novamente que

o afundamento de tenso na barra 751 em que est

conectada a GD menor do que na barra 760. Neste

caso, o afundamento de tenso permanece em nveis

aceitveis. J a variao de frequncia ocasionada

pela falta 2 mais severa. Isto ocorre pelo fato de

que uma parcela bem mais significativa da carga

desconectada com a ocorrncia da falta (5,1MW).

Ainda assim, aps a falta o sistema ilhado permanece

estvel.

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Tempo (segundos)

Tenso (

p.u

.)

barra 751 (GD)

barra 760

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 659

60

61

62

63

Fre

quncia

(H

z)

Tempo (segundos)

Figura 9. Afundamento de tenso e frequncia durante a falta 2.

A Figura 10 apresenta o impacto ocasionado pela

falta 3 na tenso das barras 751 e 755 e na frequncia

do sistema ilhado. Esta falta tem como consequncia

a perda de uma grande parte da carga do sistema

(71,7%), fazendo com que o afundamento de tenso e

a variao na frequncia sejam mais severos. A

frequncia do sistema ilhado bastante prejudicada

com a sada da carga da barra 760. O transitrio

inadequado assim como o erro de regime, o qual

deve ser corrigido para que o procedimento de

ilhamento intencional seja adotado. Esta situao

ocasionaria o desligamento instantneo da gerao

distribuda por sobre-frequnncia, inviabilizando a

operao de modo ilhada do sistema.

1 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Tempo (segundos)

Tenso (

p.u

.)

barra 751 (GD)

barra 755

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

60

62

64

66

68

Fre

quncia

(H

z)

Tempo (segundos)

Figura 10. Afundamento de tenso e frequncia durante a falta 3.

5 Concluso

Este artigo tem por objetivo analisar os impactos

tcnicos ocasionados pelo ilhamento intencional de

uma gerao distribuda do tipo PCH em um sistema

real localizado na regio norte do Brasil, com a

finalidade de manter o atendimento de energia a parte

da carga local. Para tal, foram realizadas simulaes

estticas e dinmicas avaliando a capacidade do

sistema ilhado acompanhar variaes na carga, nveis

de curto-circuito e o comportamento do sistema

diante da ocorrncia de faltas.

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Os resultados mostram que a gerao distribuda

capaz de atender as variaes na carga local quando

operada de modo ilhado. Em relao a proteo, os

resultados mostram que o sistema ilhado apresenta

nveis de curto-circuito mais baixos do que o sistema

interligado. A alterao dos nveis de curto-circuito

requer um novo ajuste dos elementos da proteo

para que possa ocorrer a operao do sistema no

modo ilhado.

Em relao a ocorrncia de faltas, devido o

sistema ilhado ser bastante radial, invariavelmente,

qualquer falta aplicada resulta em uma perda de

carga. Quando o sistema ilhado perde um grande

bloco de carga, os impactos so mais severos.

Durante a falta a gerao distribuda injeta grandes

quantidades de potncia reativa para tentar sustentar

o nvel de tenso das barras que so controladas

remotamente, enquanto que as barras que so

desprovidas de controle de tenso os afundamentos

de tenso so mais severos.

Os resultados mostram que a estratgia de

ilhamento intencional pode trazer muitos benefcios

aos produtores independentes e aos consumidores,

desde que sejam feitas as adequaes necessrias no

sistema.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao suporte financeiro recebido

pelo CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento

Cientfico e Tecnolgico).

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