controle tensao reatores e bancos capacitivos

2 Controle de Tenso em Sistemas Eltricos de Potncia

Conforme apresentado no Captulo 1, o controle de tenso do Sistema Interligado Nacional (SIN), o SEP brasileiro, realizado pelos operadores de tempo real, com base em diversas informaes, tais como: valores atuais e tendncias das grandezas eltricas (na maioria das vezes tenses, em kV, e potncias reativas, em Mvar); topologia do SIN, perodo de carga (mnima/leve, mdia ou pesada); e suas sensibilidades na atuao dos dispositivos de controle com base em suas experincias passadas. As informaes de valores das grandezas eltricas e de sua topologia soPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

obtidas das diversas subestaes do SIN e concentradas em um aplicativo computacional denominado Sistema de Superviso e Controle (SSC). As informaes de cada subestao percorrem grandes distncias, em alguns casos milhares de quilmetros, das mais distintas formas: via fibra tica, microondas, satlite, carrier, dentre outras, at chegarem ao centralizador referente ao SSC. Uma vez no SSC, as informaes ficam disponveis atravs de grficos e diagramas aos operadores de tempo real em diversas telas, para que os mesmos possam utiliz-las de forma prtica, viabilizando a tarefa do controle de tenso. A tarefa do controle de tenso tem como principal objetivo impedir que as tenses dos barramentos sob sua responsabilidade ultrapassem valores limites no permitidos. Tais valores so definidos tanto pelas caractersticas dos equipamentos presentes no SEP quanto pelos estudos realizados no planejamento / pr-operao. Estes estudos informam as diretrizes para a operao indicando, para cada barramento, a faixa de tenso (valor inferior e superior de referncia) que no pode ser ultrapassada, de forma a garantir uma tenso de qualidade para o consumidor final [ONS, 2007]. As faixas de tenso so definidas para cada perodo de carga (pesada, mdia ou leve / mnima), podendo apresentar valores iguais em perodos de carga diferentes.

Controle de Tenso em Sistemas Eltricos de Potncia

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Barramentos prximos aos centros de carga que apresentem valores altos de tenso, acima do limite superior da faixa, podem causar danos aos equipamentos dos consumidores e das subestaes do SEP (pra-raios, disjuntores, transformadores, dentre outros). Tenses baixas tambm podem causar danos em motores, interromper processos industriais baseados em eletrnica de potncia e levar a operao do sistema eltrico a uma regio no segura, caso ocorra uma alterao no SEP (por exemplo, o desligamento de uma linha de transmisso ou a entrada de um grande bloco de carga). A carga (Z) de um SEP possui duas componentes (equao (1)): a resistiva ou real (smbolo: R, unidade: ) e a reativa ou imaginria (smbolo: X, unidade:

). A reatncia pode ser indutiva (XL) ou capacitiva (XC), conforme apresentadona equao (2).

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Z = R + jX X = X L XC

(1)

(2)

A potncia total fornecida s cargas de um SEP recebe o nome de Potncia Aparente (smbolo: S, unidade: VA). Esta potncia, assim como a carga, possui duas componentes: a ativa ou real (smbolo: P, unidade: W) e a reativa ou imaginria (smbolo: Q, unidade: var). A potncia reativa pode estar sendo fornecida ou absorvida, dependendo, respectivamente, se a carga

predominantemente indutiva (QL) ou capacitiva (QC).

S = P + jQ Q = QL QC

(3)

(4)

Parte da potncia aparente fornecida pelo SEP ser transformada em trabalho pela resistncia e parte ser armazenada, no realizando trabalho, em virtude da reatncia. A potncia pode ser representada atravs do tringulo de potncia (Figura 2), constitudo pelas trs potncias S, P e Q.


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Nota-se que o cosseno do ngulo uma relao entre a potncia ativa e a potncia aparente; por essa razo ele um parmetro denominado fator de potncia (fp). Quando o fp unitrio indica que a carga puramente resistiva.

Figura 2 Tringulo de potncias

Uma carga resistiva funciona como um dissipador de energia, utilizandoPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

toda a potncia ativa fornecida pelas unidades geradoras do SEP. As cargas indutivas absorvem potncia reativa e armazenam energia sob a forma de campo eletromagntico, como o caso de reatores (indutores) e motores. As cargas capacitivas, por sua vez, fornecem potncia reativa ao SEP e armazenam energia sob a forma de campo eltrico, como o caso de condensadores e filtros. Os nveis de tenso dependem grandemente do fluxo de potncia reativa do sistema eltrico. Quando h deficincia de potncia reativa, o nvel de tenso cai; inversamente, quando h excesso de potncia reativa o nvel de tenso sobe. Portanto, controlam-se os nveis de tenso em um sistema eltrico controlando-se a gerao, a absoro e o fluxo de potncia reativa no sistema. Praticamente todas as cargas possuem, em sua composio, uma grande parte indutiva e, portanto, absorvem potncia reativa (var). Reatores em paralelo tambm absorvem var, ao passo que capacitores em paralelo geram var. Os cabos condutores das linhas de transmisso tambm geram var, em virtude da alta capacitncia entre estes e o solo. Alm de reatores, capacitores e cabos condutores, tambm possvel controlar os fluxos de var, e, conseqentemente, os nveis de tenso, ajustando-se a excitao das unidades geradoras e compensadores sncronos, ou alterando-se os tapes dos transformadores. Portanto, para efetuar o controle de tenso os operadores atuam nos diversos recursos, ou equipamentos de controle de tenso (ECT), presentes no SEP


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(capacitores e reatores em paralelo, potncia reativa de compensadores sncronos, compensadores estticos e unidades geradores e tapes de transformadores). A deciso de quando e em qual ECT atuar depende, principalmente, das influncias destes ECT nos valores de tenso dos diversos barramentos do SEP. A manobra para o controle de tenso pode ser realizada localmente (na subestao onde est instalado o ECT) ou remotamente (em local distante subestao atravs do envio de telecomando). A alterao da tenso de um barramento pode resultar em violaes em outros barramentos. Desta forma, embora os conceitos fundamentais de controle de tenso sejam simples, sua implementao prtica em sistemas de potncia bastante complexa. Isto por que: Os ECT so localizados, ou seja, so instalados em locais definidos pelos estudos de planejamento / pr-operao, e, desta forma, os mesmos no podem ser retirados para a realizao do controle dePUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

tenso em outra localidade do SEP; e Os ECT so independentes, no existindo nenhum tipo de controle ou automatismo entre os mesmos.

Uma vez que as cargas e, portanto, os fluxos de var e as tenses mudam continuamente, as medidas ou manobras de controle de tenso devem tambm ser tomadas continuamente. A seguir apresenta-se como os ECTs (geradores, tapes de transformadores, banco de capacitores, etc.) podem ser utilizados durante o controle de tenso, alm das restries existentes na sua utilizao [ELETROBRAS, 1990].

2.1. Controle de Tenso Mediante Ajuste da Excitao das Unidades Geradoras A tenso nos terminais de uma unidade geradora geralmente controlada por um regulador automtico que induz mudanas na corrente de excitao do gerador, de modo a manter a tenso a nveis constantes preestabelecidos. Quando a tenso cai abaixo do ponto de ajuste, a corrente de excitao aumenta. Com isto, o gerador passa a suprir mais potncia reativa (maior valor de var), mas a produo de potncia ativa (W) no se altera significativamente. Quando a tenso


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nos terminais ultrapassa o ponto de ajuste, o regulador reduz a corrente de excitao, o que faz com que a gerao de var tambm diminua. Se a corrente de excitao for suficientemente reduzida, o gerador passar a absorver var. Conforme mencionado na seo anterior, nos sistemas eltricos as tenses so controladas pela quantidade de var suprida ou absorvida. Os pontos de ajuste dos reguladores de tenso podem ser alterados de modo a controlar a produo de

var do gerador. Isto, porm, deve ser feito com cuidado porque, caso se reduzademais a excitao da unidade geradora (ou seja, se ocorrer subexcitao), a unidade pode tornar-se instvel. Por outro lado, caso essa corrente aumente demais, a unidade geradora pode ficar sobre excitada, provocando um possvel superaquecimento do rotor. A Figura 3 mostra um SEP exemplo que possui trs unidades geradoras idnticas, cada uma delas suprindo 50 MW e absorvendo 20 Mvar ligadas a um sistema de transmisso para atendimento de uma carga de 80 MW e 10 MvarPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

conectada ao barramento F.

Figura 3 SEP exemplo

As unidades geradoras possuem tenso nominal de 15 kV, os barramentos A e C 230 kV e os demais 138 kV. Cada unidade geradora possui um transformador elevador de 15 kV para 230 kV e existem dois transformadores abaixadores de 230 kV para 138 kV entre os barramentos A e D. Estes dois ltimos


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transformadores possuem seus tapes na posio dez (10), podendo variar de zero a dezesseis (0-16). Existe disponvel para ser inserido ou ligado no barramento F um banco de capacitores de 15 Mvar. O quadrado (smbolo de um disjuntor) compreendido entre o banco de capacitores e o barramento F indica se o mesmo est ligado (quadrado preenchido em preto) ou desligado (quadrado no preenchido). As linhas contnuas que conectam os barramentos representam linhas de transmisso. Os barramentos de 138 kV e as linhas de transmisso que os conectam constituem um sistema radial, uma vez que entre o barramento D e a carga, no barramento F, no existe uma linha de transmisso que os conecte ao SIN. As setas horizontais marcadas com um trao vertical indicam o fluxo de var que entra no gerador, o que significa que a unidade est absorvendo var (fator de potncia em avano). Se o fluxo de var tivesse a direo oposta, isso indicaria quePUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

a unidade fornece var (fator de potncia em atraso). A figura tambm mostra que est sendo entregue ao SIN o total de 64 MW e 105 Mvar. Na Tabela 1 so indicadas faixas de tenso em cada perodo de carga para o SEP exemplo. Ser considerado que o sistema est na carga leve (em negrito). Suponha que o operador queira elevar em 4 kV a tenso do barramento de 230 kV da usina (terminal de alta), elevando-a de 232 kV para 236 kV. Para tal, ele eleva o ponto de ajuste do regulador de tenso das trs unidades geradoras e, consequentemente, eleva a injeo de Mvar. Ao fazer isto, a situao passa a ser aquela mostrada na Figura 4. Nota-se que a produo de MW no se altera, mas as unidades geradoras passam a fornecer var e todas as tenses do SEP se elevam.Tabela 1 Faixas de tenso para o SEP exemplo

Tenso nominal (kV) 15 138 230

Leve / Mnima (kV) 14,2 - 15,7 131,1 - 144,9 218,5 - 241,5

Mdia (kV) 14,7 - 15,6 135,2 - 143,5 225,4 - 239,2

Pesada (kV) 14,7 - 15,4 135,2 - 142,1 225,4 - 239,2


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Figura 4 Controle de tenso pelas unidades geradorasPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

Caso o desejado fosse a reduo da tenso, o inverso deveria ser realizado, reduzindo-se o ponto de ajuste do regulador de tenso e, por conseqncia, a corrente de excitao dos geradores. Quando existem vrios geradores em uma s usina, como no caso da Figura 4, a tenso nos terminais e o nvel de excitao de cada um deles devem ser controlados simultaneamente. Se somente um gerador for alterado, os controles automticos dos outros tentaro compensar a diferena (at os limites de potncia reativa de cada um) para manter a tenso da barra da estao no ponto de ajuste, causando um desequilbrio de var entre as unidades geradoras. Na Figura 5 possvel notar que duas unidades geradoras permanecem absorvendo var, enquanto a que foi alterada passa a fornecer var, causando o mencionado desequilbrio. As tenses dos barramentos das usinas tambm podem sofrer alterao em virtude de alguma mudana no SEP, como, por exemplo, uma alterao de carga. Desta forma o operador deve estar sempre atento, impedindo a operao destas tenses em valores no permitidos.


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Figura 5 Desequilbrio de potncia reativa entre unidades geradoras

No SIN o principal suporte de var vem das usinas. O modelo brasileiro PUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

basicamente hidroeltrico, fazendo com que a maioria das usinas esteja: longe da carga (centenas de quilmetros) e presentes no Sistema de Transmisso (em 230, 345, 440, 500 e 765 kV), conforme apresentado no Captulo 1. A alterao de alguns kV na tenso do barramento de alta das usinas acarreta uma alterao de tenso em diversos outros barramentos. Assim, as tenses das usinas so utilizadas para o controle de tenso do Sistema de Transmisso, o que fundamental para a manuteno das tenses das usinas dentro das faixas. Esse tipo de controle com geradores , portanto, chamado de ajuste grosso. J os bancos de capacitores e de reatores em paralelo ou tapes de transformadores esto, em sua maioria, localizados prximos aos barramentos de carga, sendo utilizados na tarefa de ajuste fino do controle de tenso, conforme descrito nas sees a seguir.

2.2. Controle de Tenso por Tapes de Transformadores possvel controlar as tenses de um sistema eltrico mudando-se os tapes dos transformadores. Quase todos os transformadores possuem tapes no enrolamento de alta ou de baixa tenso e, s vezes, em ambos os enrolamentos. Trocando-se os tapes, altera-se o nmero de espiras no lado de alta ou de baixa e, com isto, o valor da tenso tambm alterado.


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A troca de tapes pode ser feita com o transformador desligado ou quando o mesmo est conectado ao SEP. Neste ltimo caso, diz-se que o transformador tem "comutao sob carga". A troca de tapes sob carga pode ser feita manualmente ou eletro manualmente pelo operador, ou ainda de forma automtica, quando o transformador for dotado de rel regulador de tenso capaz de trocar os tapes automaticamente. A mudana de tapes altera os fluxos de var do sistema, podendo, em alguns casos, causar uma mudana de produo ou absoro de var nas unidades geradoras. Quando se supre potncia a partir de uma rede de alta tenso para uma rede de distribuio de tenso mais baixa, a posio dos tapes dos transformadores pode ser alterada de modo a controlar a tenso no lado de baixa. Este tipo de controle de tenso frequentemente necessrio durante o dia, medida que ocorrem mudanas na carga. Embora na maioria dos casos os tapes dos transformadores sejam utilizadosPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

para controlar o valor da tenso no lado de baixa, estes tambm podem ser utilizados no controle do valor de tenso do lado de alta. Suponha que dois transformadores idnticos estejam ligados em paralelo, como na Figura 4, e que ambos estejam com seus tapes na posio dez (10). Suponha tambm que o despachante tente aumentar em 4 kV a tenso no lado de baixa, ajustando-se os tapes dos transformadores. Sabendo que as tenses das unidades geradoras j esto prximas ao mximo permitido, o operador de tempo real, conhecedor da influncia da alterao destes tapes no valor da tenso do lado de baixa tenso, decide que para a realizao de tal elevao devem ser elevados trs tapes, indo para a posio treze (13). A Figura 6 mostra os fluxos e tenses resultantes.


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Figura 6 Controle de tenso pelos tapes de transformadoresPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

Observa-se que a quantidade de MW que flui em cada transformador no mudou e que todas as tenses dos barramentos cujo valor nominal 138 kV elevaram. Em SEPs mais interligados, diferentemente do SEP radial do exemplo, a alterao dos tapes para a elevao da tenso do lado de baixa (menor tenso) pode acarretar na reduo da tenso do lado de alta, e vice-versa. O operador deve estar atento a esta condio, impedindo que os barramentos apresentem valores de tenso no permitidos. Quando uma subestao tem dois ou mais transformadores operando em paralelo, deve-se ter o cuidado em ajustar os tapes de todos os transformadores para o mesmo valor, e no somente de um. Um ajuste desigual dos tapes de transformadores que operam em paralelo provoca uma distribuio desigual do fluxo de var (Figura 7). No se deve permitir que esta situao perdure indefinidamente, uma vez que gera fluxo desnecessrio de var entre os transformadores, alm da possibilidade do transformador com maior fluxo de var apresentar violao do seu limite de MVA (sobrecarga). O despachante pode igualar novamente o fluxo de var nos transformadores igualando a posio dos tapes (ou seja, ajustando tambm o tape do outro transformador para aumentar a tenso em 4 kV). Aps o ajuste a condio volta normalidade (Figura 6).


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Figura 7 Desequilbrio de potncia reativa entre os transformadores


Quando se tem transformadores diferentes ligados em paralelo (por exemplo, transformadores de tamanhos diferentes ou com mtodos de refrigerao diferentes), pode ocorrer substancial diferena de fluxo de var. Em tais casos, pode ser conveniente e necessrio adotar ajustes desiguais de tapes a fim de igualar os fluxos. Como pde ser visto, as tenses dos barramentos, principalmente dos barramentos de carga, podem ser controladas atravs dos tapes dos transformadores. Porm tambm foi descrito que a alterao do valor do tape, na maioria dos casos, causa alteraes tanto das tenses do lado de baixa quanto do lado de alta tenso. Tal alterao pode levar a tenso do lado de alta para valores fora das faixas pr-estabelecidas. Desta forma, a utilizao desse tipo de ECT pode ser combinada com bancos de capacitores e de reatores em paralelo (ou

shunt), conforme a seguir.

2.3. Controle de Tenso por Banco de Capacitores e de Reatores em Paralelo Foram apresentados at agora dois mtodos bsicos de controlar as tenses de um sistema eltrico. O primeiro, atravs do controle da gerao ou absoro de

var pelas unidades geradoras, ajustando-se o regulador de tenso (isto , a


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corrente de campo), e o segundo atravs da mudana do ajuste dos tapes dos transformadores de modo a elevar ou rebaixar as tenses e alterar os fluxos de var em uma rede. Outros equipamentos no sistema eltrico podem ser utilizados para controlar tenses. Bancos de capacitores ligados em paralelo ao sistema geram var e elevam as tenses. Reatores ligados em paralelo absorvem var e reduzem as tenses. Tais ECTs so tidos como paralelos (ou shunt), pois os mesmos possuem uma extremidade conectada ao SEP e outra aterrada. Em todo sistema de transmisso e distribuio existem diferentes problemas de controle de tenso. Alguns se devem a quedas (ou elevaes) de tenso ao longo de um circuito em virtude de mudanas nos fluxos de var em condies de carga constante, ao passo que outros so mais complexos devido a variaes de tenso decorrente de mudana de carga. Um exemplo destes tipos de problema ocorre freqentemente em sistemasPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

de transmisso ou distribuio radiais. A Figura 8 mostra o sistema radial em 138 kV do SEP exemplo, aps entrada de 20 MW de carga adicionais (totalizando 100 MW de carga). A entrada deste bloco adicional de carga causa a reduo das tenses de todos os barramentos do sistema radial, levando a tenso do barramento F para valores prximos ao limite inferior (Tabela 1). As tenses do lado de alta no sofreram alterao em virtude da atuao automtica dos reguladores de tenso das unidades geradoras. Tal atuao pode ser observada pela elevao do valor de var das mesmas (de 28 para 30 Mvar). Uma possibilidade para elevar os valores de tenso do lado de baixa seria a elevao da posio dos tapes dos transformadores, porm estes tapes j esto na posio treze (13), e os trs restantes (16 a posio mxima) no solucionariam o problema. A prxima soluo possvel seria a elevao das tenses das unidades geradoras, porm, como visto no item anterior, as mesmas j esto com tenso prxima ao limite superior.


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Figura 8 Entrada de 20 MW de carga no barramento FPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

No dispondo de outra alternativa, a manobra realizada ser a de ligar o banco de capacitores presente no barramento F. Como esperado, aps a manobra as tenses do sistema radial elevaram-se (Figura 9).

Figura 9 Manobra para ligar o banco de capacitores de 15 Mvar


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Dependendo de onde esto instalados, os bancos de capacitores ou de reatores em paralelo tambm podem ser utilizados para o ajuste grosso, elevando ou reduzindo, como visto com as unidades geradoras, as tenses de todo um tronco de transmisso. Neste caso, os bancos de capacitores possuem valores de potncia reativa maiores que os conectados aos barramentos de carga. Se existisse um banco de capacitores instalado no barramento A do SEP exemplo e este fosse ligado, todas as tenses do SEP se elevariam (exceto das barras controladas automaticamente pelas unidades geradoras) e as unidades geradoras reduziriam o fornecimento de var. Para o banco de reatores o inverso ocorreria: as tenses seriam reduzidas e as unidades geradoras passariam a fornecer mais var. Este tipo de ao muito utilizado quando se deseja que unidades geradoras e compensadores sncronos operem com var prximo de zero, pois estes bancos de capacitores ou de reatores passam a fornecer ou absorver, respectivamente, os var fornecidos ou absorvidos pelas unidades geradoras ouPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

compensadores sncronos, criando margem para seus reguladores automticos de tenso acompanharem a entrada de carga ou atuarem em casos de ocorrncias no SEP. Alm do que j foi apresentado, outro aspecto importante o controle dos valores das tenses dos terminais de longas linhas de transmisso.

2.4. Controle de Tenso dos Terminais de Longas Linhas de Transmisso Em Sistemas de Transmisso, com tenses nominais de 138 kV ou acima, que exigem linhas mais longas, os operadores podem encontrar valores altos de tenso quando se abre uma das extremidades de uma linha longa e a outra extremidade permanece energizada. O problema se deve ao "Efeito Ferranti" [ELETROBRAS, 1990] e provocado pelos var gerados ao longo da linha pela capacitncia natural do circuito. Uma linha de 150 quilmetros de comprimento gera uma quantidade substancial de Mvar. Quando o circuito est carregado, esses

var so absorvidos pelas perdas de var ao longo da linha e na carga.Quando o circuito est levemente carregado, ou aberto em uma das extremidades, esses var no so absorvidos e podem causar tenso inaceitavelmente alta na extremidade aberta. Em uma linha aberta, a proporo


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entre a tenso no lado receptor (Er) e a tenso no lado transmissor (Et) varia em funo do comprimento da linha, como mostra a Figura 10.

1,25 1,20 Er/Et 1,15 1,10 1,05 1,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Comprimento da linha de transmisso em Km

Figura 10 Elevao da tenso por Efeito Ferranti


O equipamento ligado a uma longa linha de transmisso levemente carregada ou aberta em uma extremidade pode no ter sido projetado para suportar, durante muito tempo, as tenses mximas indicadas na referida figura. No caso de linhas de mais de 150 quilmetros de comprimento, deve haver algum meio de absorver os var gerados pela corrente capacitiva da linha. Neste caso, instalam-se reatores em paralelo nos terminais do circuito para absorver esses var. Em alguns casos, reatores em paralelo podem ser automaticamente ligados linha sempre que um disjuntor se abre. Em outros casos, esses reatores em paralelo podem permanecer ligados permanentemente em ambas as extremidades da linha. Quando um circuito de transmisso est com seu carregamento elevado, bancos de capacitores em paralelo podem ser instalados na subestao prxima carga, a fim de gerar Mvar adicionais destinados a manter o valor da tenso dentro dos limites. No caso de linhas de transmisso fortemente carregadas, a queda de tenso ao longo da linha pode ser excessiva (como no exemplo do circuito radial que vimos anteriormente). Na maioria dos casos, esses bancos de capacitores so ligados e desligados de modo a suprir as diferentes necessidades de var exigidas pelos diferentes valores de carga e condies do sistema. Em virtude da natureza varivel da carga, torna-se necessrio, s vezes, suprir var e absorver var no mesmo local, porm, em horrios diferentes. As duas funes podem ser exercidas por uma combinao de bancos de capacitores e


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reatores, dotada de mecanismos de manobra e controle. Costuma-se dar a essa combinao o nome de compensador esttico. Quando a tenso baixa, o compensador esttico supre var, quando a tenso alta ele absorve var. Certas empresas instalam compensadores sncronos como meio auxiliar de controle de tenso. Trata-se de grandes mquinas eltricas rotativas, construdas como um gerador, mas operadas como um motor (isto , sem acionamento por turbina). Os compensadores sncronos no geram W. Controlando-se a corrente de excitao, pode-se fazer com que eles gerem ou absorvam var. Quando a tenso no sistema baixa, a corrente de campo do compensador aumentada, de modo a gerar var. Em perodos de tenses elevadas no sistema, reduz-se a excitao do compensador sncrono para que a unidade passe a absorver var. Pode-se, ento, resumir as tcnicas de controle de tenso apresentadas como se segue: Para realizar a tarefa de controle de tenso os operadores de tempoPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

real utilizam diversos ECT; O operador de tempo real deve observar todas as variveis relacionadas ao controle de tenso, atuando nos ECT de forma que as tenses nos barramentos de sua responsabilidade no operem fora das faixas; possvel controlar as tenses de um SEP gerando-se var, absorvendo-se var ou redistribuindo-se o fluxo de var no sistema; Unidades geradoras de usina e compensadores sncronos podem gerar e absorver var, dependendo do nvel de excitao da unidade; Bancos de capacitores em paralelo geram var e reatores em paralelo absorvem var; Mudando-se os tapes dos transformadores, alteram-se as condies locais de tenso e, portanto, altera-se o fluxo de var no sistema. A mudana de tapes no afeta o fluxo de MW; As unidades geradoras das usinas so principalmente utilizadas para efetuar o ajuste grosso durante controle de tenso, elevando ou reduzindo as tenses dos barramentos de um subsistema; por outro lado, na maioria das vezes os bancos de capacitores, reatores e tapes de transformadores so utilizados para o controle local da tenso, ou seja, efetuam o ajuste fino.


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A prxima seo apresenta um exemplo real de como so realizadas aes de controle de tenso em um barramento de carga.

2.5. Exemplo Real de Controle de Tenso Na Figura 11 apresentado um exemplo real de controle de tenso. O grfico representa os valores e a faixa de tenso do barramento de 138 kV da estao de Jacarepagu, uma das barras do SIN e de propriedade de Furnas Centrais Eltricas S.A., em um dia til. Nesta estao esto conectados os principais circuitos que alimentam os consumidores da LIGHT nas proximidades do bairro de Jacarepagu. possvel notar s 07h a transio de faixa do perodo de carga leve para o perodo de carga mdia, assim como a elevao do valor da tenso neste horrio.PUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

importante ressaltar que para este barramento as faixas para os perodos de carga mdia e pesada so iguais. Essa elevao de tenso foi realizada pelos operadores de tempo real que, utilizando os ECTs disponveis (tapes e bancos de capacitores), alteraram o valor da tenso deste barramento.

Tenso da Estao Jacarepagu 138 kV141 140 139 138 137 136 135 134 133 132 131 13000:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00

kV

HoraFigura 11 Mudana de perodo de carga


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A Figura 12 apresenta o detalhamento da Figura 11 entre os horrios de 17h e 19h, mostrando uma parte do perodo de carga pesada. Nesta figura verifica-se que, s 17h30min, o valor de tenso foi reduzido com a entrada de carga no perodo de carga pesada.

Tenso da estao de Jacarepagu 138 kV entre 17:00 e 18:00 19:00 140 139 138 137 136 135 134

17:43 138,6

kV

17:42 136,1

17:00

18:00


Hora

Figura 12 Correo da tenso no perodo de carga pesada

Com a entrada de carga e a aproximao do valor da tenso para o seu limite inferior, aes so tomadas para a elevao do seu valor, tendo como medida principal a insero de um banco de capacitores em paralelo desta estao s 17h42min. Nota-se tambm que, aps a insero do banco de capacitores, o valor da tenso permanece reduzindo (aps 17h43min), indicando que se a manobra no tivesse sido realizada a tenso ultrapassaria seu limite inferior, acarretando em tenses baixas para os consumidores. Embora a manobra para a elevao da tenso tenha sido realizada na prpria subestao, tambm deve ser considerado, no processo de deciso, o valor das tenses das outras subestaes e a influncia dos demais equipamentos deste sistema. Este processo procura otimizar a quantidade de manobras, evitando excessos, esgotamento dos recursos ou at manobras conflitantes, como por exemplo, ligar um banco de capacitores em uma subestao e ligar um banco de reatores em uma subestao vizinha. Deste modo, o controle depende, fundamentalmente, da interpretao destas diversas informaes pelo operador que, embora o faa impedindo as

19:00


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violaes, nem sempre resulta na otimizao das manobras e dos recursos. Esta falta de otimizao ocorre em virtude de vrios aspectos:

a) o operador de tempo real no possui uma ferramenta para a otimizao de tais recursos; b) algumas aes de controle de tenso so realizadas de forma diferente, dependendo do operador que est realizando a tarefa no momento; c) ECTs de um dado subsistema, com influncia em outro(s) subsistema(s), podem ser manobrados sem o conhecimento dos operadores deste(s) outro(s) subsistema(s), tornando a operao de ambos os SEP no tima.

O controle de tenso um assunto muito estudado, pois est diretamentePUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

ligado qualidade, confiabilidade e custo da energia fornecida aos consumidores. O custo da energia est tomando ainda maior importncia com a reestruturao dos setores eltricos, pois empresas (ou agentes) esto sendo remuneradas quando a potncia reativa de suas unidades geradoras utilizada para atendimento ao controle de tenso do SEP. Este uso gera um encargo identificado como servio

ancilar. Tal encargo pago por todos os consumidores em suas contas de luz ea falta de otimizao durante o controle de tenso pode aumentar o seu valor. Muitas tticas foram pensadas para que o controle de tenso fosse realizado de forma otimizada. Buscando esta condio tima, em alguns pases da Europa o controle de tenso j realizado de forma coordenada.

2.6. Controle Coordenado de Tenso Como dito anteriormente, o controle de tenso realizado tradicionalmente de forma manual. Entretanto, motivados pelas reestruturaes das regras do setor eltrico em todo o mundo, os responsveis pela operao dos SEP esto buscando sua evoluo de forma a adaptar-se a este novo mundo [TARANTO, 2002].


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A coordenao ocorre em trs nveis hierrquicos: primrio, secundrio e tercirio. Alm de coordenado, este controle tambm realizado utilizando dados de tempo real e de forma descentralizada, uma vez que o sistema eltrico em questo dividido em subreas; cada rea possui seus controles primrio e secundrio, ficando para o tercirio a responsabilidade de realizar a coordenao entre as subreas. A seguir so explicados cada um dos nveis de hierarquia citados. O controle primrio de tenso, em ingls Primary Voltage Control (PVC), atua com a resoluo temporal de segundos e realizado pelos controladores automticos de tenso presentes nas unidades geradoras, compensadores sncronos e estticos. Cada controlador responsvel por manter a tenso de um barramento de uma subrea do SEP em um valor pr-determinado. Este nvel de controle compensa as rpidas variaes que ocorrem nestas tenses. O controle secundrio de tenso, em ingls Secondary Voltage ControlPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

(SVC), atua com a resoluo temporal de minutos e realimenta os PVC de sua subrea, atualizando os valores de referncia de tenso dos barramentos e atuando nos equipamento de resposta mais lenta, como tapes de transformadores. Este nvel de controle tem como objetivo o controle da tenso de barramentos piloto previamente definidos, alm de otimizar a potncia reativa das unidades geradoras. Este nvel de controle tambm compensa as variaes de tenso mais lentas. O controle tercirio de tenso, em ingls Tertiary Voltage Control (TVC), o ltimo nvel na hierarquia e realimenta os SVC de todas as subreas, assegurando que o controle est sendo realizado de forma segura e econmica, garantindo a otimizao do controle de tenso. O TVC executa um fluxo de potncia timo a cada quinze minutos ou por solicitao do operador (aps a ocorrncia de uma alterao do SEP). A Figura 13 [TARANTO, 2002] apresenta um modelo do controle coordenado de tenso. Nesta figura Vp representa o valor da tenso do barramento (ou barra) piloto; Vp Opt o valor timo calculado pelo TVC para o Vp; Vref o valor de referncia de tenso das unidades geradoras fornecido ao PVC pelo SVC para que Vp seja igual Vp Opt; Vt o valor de tenso do barramento terminal das unidades geradoras e Efd o valor de tenso fornecida pelo PVC s unidade geradoras para que Vt seja igual a Vref.


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Figura 13 Modelo do controle coordenado de tenso

Na Itlia e na Frana j se realiza este controle de forma automtica e coordenada [TARANTO, 2002]. Na Blgica [HECKE, 2000] e Espanha o controle de forma coordenada ainda no foi totalmente estabelecido, porm tcnicas para o TVC j foram estudadas e aplicadas como ferramentas de auxlio deciso. Recentemente, solues para o problema de controle de tenso de SEP tambm vm sendo encontradas utilizando-se tcnicas de inteligncia

computacional. Um SVC baseado em Redes Neurais Artificiais (RNA) [HAYKIN, 1999] para unidades geradoras sugerido em [GUBINA, 1999]. O SVC do artigo em questo foi utilizado no SEP fictcio de testes IEEE 30. O SEP em questo possui 30 barras, sendo 20 barras de carga e 10 de gerao. O autor utilizou a topologia Multi-Layer Perceptron com treinamento Back-propagation e uma camada intermediria. Foram utilizados de trs a cinco neurnios na camada de entrada (um para a tenso do gerador e as demais para os valores das potncias reativas de cada linha conectada usina, com valores normalizados entre 0 e 1), seis na intermediria e um na sada (referente tenso de referncia, podendo assumir qualquer valor entre 0,9 e 1,1).


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Para o autor, o SVC baseado na tcnica de RNA pode controlar de forma sub-tima e robusta a tenso em uma ampla quantidade de pontos de operao do SEP, alm de permitir fcil re-treinamento caso ocorra alguma alterao no SEP. Diferentemente do artigo em questo, que utilizou um SEP de testes fictcio, treinado com valores simulados, para o controle de tenso utilizando apenas unidades geradoras, este trabalho utiliza dados reais de um SEP real, com o objetivo de criar um sistema de auxlio deciso para o controle de tenso utilizando outros tipos de ECT como bancos de capacitores, reatores e tapes de transformadores. Outros trabalhos j utilizaram tcnicas de Lgica Fuzzy para avaliao dos benefcios da existncia de um SVC no Brasil [TARANTO, 2000]. O SVC em questo foi testado no SEP da rea Rio de Janeiro / Esprito Santo, subsistema do SIN, utilizando alguns ECTs deste sistema para a correo das tenses e verificaes quanto instabilidade de tenso aps ocorrncias como: a perda dePUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

uma linha de transmisso ou a entrada de carga. No artigo tambm ocorreu a alterao do barramento piloto para verificao da resposta do SVC. Os resultados tidos como preliminares indicaram benefcios com a aplicao do SVC, aumentando o controle e a segurana do SEP, alm de indicar a importncia da escolha correta da barra piloto, que para o sistema em questo estaria dentre as de maior tenso. O SEP utilizado em [TARANTO, 2000] e seus dados, embora simulados, possuam uma representao prxima do real. No foram utilizados todos os ECT disponveis no SEP. O artigo se diferencia do trabalho desta dissertao por apresentar um sistema secundrio de controle de tenso e mostrar anlises quanto instabilidade de tenso em casos de contingncia. Este trabalho no realizou tais anlises, uma vez que as aes dos operadores em tempo real no entram neste mrito, e sim na manuteno das faixas de tenso dentro dos limites estabelecidos, objetivo do trabalho. Muito tem se estudado para a aplicao de um controle coordenado de tenso no Brasil, porm o SIN possui dispositivos de controle complexos, com usinas suprindo grandes centros de carga atravs de longos troncos de transmisso, ao contrrio dos europeus que possuem sua gerao prxima s barras de carga. Em sistemas eltricos com as caractersticas do SIN, o chaveamento de grandes blocos de compensao em paralelo e/ou atuao manual


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em tapes de transformadores provocam grande impacto no sistema, requerendo coordenao durante estas manobras, em funo das interaes entre estes controles e da possibilidade de impacto adverso associado a suas atuaes. Assim, no Brasil, o controle de tenso realizado pelos operadores de tempo real, o que torna a disponibilidade de uma ferramenta de apoio no processo de deciso uma soluo bastante atraente, principalmente no treinamento de novos operadores de Centros de Operao de sistemas eltricos de grande porte. A aplicao desta ferramenta um passo importante para a criao de um SVC ou

TVC visando o controle de tenso de forma coordenada no Brasil. Desta forma,este trabalho tem a inteno de desenvolver um sistema de apoio deciso baseado em RNAs.

2.7. Aplicaes de RNA nos SEPsPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

Com o advento de novas tecnologias e regras de mercado em virtude da reestruturao do setor eltrico, as empresas ligadas aos SEP esto reformulando seus processos, passando a utilizar as tcnicas de Inteligncia Computacional (IC) nos mais diversos problemas [MOMOH, 2000]. Por serem capazes de tratar problemas complexos, de natureza no linear, as tcnicas de IC, em particular RNA, tm sido amplamente aplicadas nos mais diversos problemas relacionados aos SEP para a classificao de padres, reconhecimento de padres, otimizao, previso e controle automtico. Em [HAQUE, 2005] realizado um resumo dos diversos artigos publicados sobre aplicaes de RNA no SEP no IEEE proceedings e conferncias do ramo nos perodos de 1990 a 1996 e 2000 a 2005. A quantidade de artigos publicados em cada perodo e seus respectivos assuntos podem ser vistos na , indicando de forma clara o aumento destes. Dentre as diversas aplicaes de Redes Neurais presentes no SEP [HAQUE, 2005 e CIGRE, 1995], destacam-se as de previso de carga [VELLASCO, 2004], diagnstico de falhas [RAMOS, 2003], planejamento operacional [RONALDO, 1999], anlises de segurana esttica [AGGOURE, 1991], e dinmica [KUMAR, 1991]. Nesta seo do trabalho apresentado um histrico da RNA aplicada no SEP e, de forma sucinta, um resumo sobre as aplicaes acima apresentadas. Em


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[HAQUE, 2005] tambm apresentado um grfico que mostra, percentualmente, o nmero de publicaes para cada aplicao, Figura 14. Nas sees a seguir so apresentadas, de forma sucinta, as aplicaes apresentadas acima.Tabela 2 Quantidade de artigos publicados utilizando tcnicas de RNA entre os perodos de 1990-1996 e 2000-2005 [HAQUE, 2005].

Assunto Planejamento - Expanso Gerao Transmisso Distribuio - Estrutural Potncia Reativa - Confiabilidade Operao (i) Instalao - Programao de gerao - Despacho econmico - Despacho timo - Despacho de potncia reativa - Controle de tenso - Avaliao de segurana Esttica Dinmica - Programao de manutenes - Gerenciamento de contratos - Monitoramento de equipamentos (ii) Sistema - Previso de carga - Gerenciamento de carga - Processamento de alarmes - Restaurao de servios - Alterao de Redes - Anlise de contingncias - TFCA - Estimao de estado Anlises / Modelagem - Fluxo de potncia - Harmnicas - Estabilidade Transiente - Estabilidade Dinmica - Simulao / operadores - Proteo

Quantidade de artigos publicados de 1990 a 1996 RNA

Quantidade de artigos publicados de 2000 a abril de 2005 RNA

1 -

1 1 1


1 1 4 7 6 3 4 12 13 1 4 4 5 13 7

4 14 1 3 3 9 1 3 23 20 2 2 2 4 3 9 7 1 4


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Anlise Esttica de Segurana ; Anlise Dinmica 5% de Segurana ; 12% Planejamento Operacional; 7%

Processamento de Alarmes; 10%

Previso de Carga; 25%

Diagnstico de Falhas; 18% Controle e Identificao; 9% Estabilidade Transitria; 14%

Figura 14 Percentual do nmero de publicaes para cada aplicao apresentada em [HAQUE, 2005]


2.7.1. Previso de Carga A previso de carga, para diferentes horizontes ou prazos, um assunto de grande importncia no SEP. a partir desta previso que sero definidas tanto a quantidade de energia que dever ser gerada para o minuto seguinte do dia corrente quanto necessidade de novas usinas ou linhas de transmisso para daqui a 20 anos ou mais. A previso categorizada em trs grupos: curto prazo (de quinze minutos a uma semana), mdio prazo (de um ms a cinco anos) e longo prazo (superior a cinco anos). Para a realizao da previso de carga, em resumo, so fornecidos diversos insumos, como por exemplo: valor da carga na hora anterior, no dia anterior e a temperatura, sendo que a rede neural apresenta na sua sada a carga prevista. Conforme pode ser visto em [CIGRE, 1995] o modelo mais utilizado para esta aplicao o Multi-Layer Perceptron (MLP) com algoritmo de treinamento Back-

Propagation [HAYKIN, 1999].

2.7.2. Diagnstico de Falhas Quando h uma ocorrncia no SEP como, por exemplo, a abertura de uma ou mais linhas de transmisso por falha (curto-circuito), necessria uma rpida


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interpretao por parte dos operadores do que ocorreu e que tipo de ao deve ser tomada. O diagnstico e a localizao de falhas auxiliam o operador, permitindo que este, a partir das informaes fornecidas pelos rels de proteo das linhas de transmisso do sistema, otimize os recursos e reduza o tempo em que a linha ficar desligada Para o diagnstico de falhas, as entradas fornecidas RNA so as informaes dos rels de proteo e da operao do(s) disjuntor(es) da(s) linha(s). Como na aplicao para previso de carga, o modelo mais utilizado tambm para esta aplicao o MLP com Back-Propagation.

2.7.3. Planejamento Operacional De todas as prticas de planejamento aparece em destaque o DespachoPUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

econmico. Com as reestruturaes das regras de comercializao de energia dos SEP de diversos pases, a existncia de um despacho de energia eltrica que reduza os custos desta se faz cada vez mais importante. A obteno do despacho timo est diretamente ligada s limitaes de transmisso existentes e previso de carga, pois conhecendo esta ltima possvel determinar o montante de energia a ser gerado, ficando o despacho timo responsvel por definir em quais usinas isto ocorrer, respeitando as limitaes. Para esta aplicao, diferentemente das demais apresentadas, o modelo de redes neurais mais utilizado o de Hopfield, demonstrando boa capacidade na soluo do problema de otimizao.

2.7.4. Anlise de Segurana A anlise de segurana pode ser dividida em dois grupos: esttica e dinmica. A anlise esttica avalia o SEP em regime permanente, ou seja, sem levar em considerao os transitrios no domnio do tempo. Estes so utilizados na anlise dinmica, que trabalha com todos os fenmenos dinmicos e dependentes no tempo. Ambas as anlises tm como principal objetivo garantir que a demanda de energia seja atendida, sem que ocorram violaes dos limites aceitveis de freqncia e de tenso aps perturbaes no SEP.


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Assim como as duas primeiras aplicaes o modelo mais utilizado para esta aplicao o MLP com back-propagation. Embora o problema do controle de tenso tambm seja de extrema importncia para a operao dos SEPs, no se encontra com facilidade artigos deste tema utilizando tcnicas de RNA. Algumas solues encontradas utilizando tcnicas de IC relacionadas ao controle de tenso foram apresentadas na seo 2.6, sendo aplicadas no controle de tenso coordenado. Como verificado na , pequena a quantidade de artigos referentes utilizao de RNAs no controle de tenso. Os objetivos e as modelagens dos poucos trabalhos de utilizao de RNAs no controle de tenso no foram apresentados em [HAQUE, 2005]. O modelo para o sistema de apoio deciso para o controle de tenso em tempo real, objetivo deste trabalho, apresentado no prximo captulo.PUC-Rio - Certificao Digital N 0521405/CA

controle tensao reatores e bancos capacitivos

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