universidade de são paulo -...

23/10/2013

1

IEEE WorkshopSMART GRID - Trends & Best Practices

Smart Grid no Contexto da Geração e Distribuição

18/10/2013

NAPREI – Núcleo de Pesquisas em Redes Elétricas Inteligentes

enerq – Centro de Estudos em Regulação e Qualidade de Energia

Universidade de São Paulo

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Tópicos

1. Conceitos Gerais de Smart Grids

2. Evolução das Redes Inteligentes e Resultados (PDRI)

3. Enerq em Smart Grids

2

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2

3

1. Redes Inteligentes – Conceitos Gerais

Sistema Atual

FONTE: EPRI

4

Sistema Futuro:

FONTE: EPRI

Redes Inteligentes – Considerações Gerais

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3

5

Argumentos contrários:

Indefinição do conceito

Conservadorismo do setor

Carência de Arcabouço regulatório adequado

Problemas estruturais no setor de distribuição


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Fatos Relevantes:

Avanço tecnológico

Consciência ambiental

Informação no topo da cadeia

Desmassificação da Sociedade


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4

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O Porquê das Redes Elétricas Inteligentes

“Se Alexander Graham Bell fosse de alguma forma transportado para o século 21, ele não reconheceria os componentes de telefonia moderna - telefones celulares, mensagens de texto, torres de celular, etc., enquanto Thomas Edison, um dos principais arquitetos do sistema elétrico, estaria totalmente familiarizado com a rede elétrica.”

8

Redes Inteligentes – Definições

NIST - National Institute of Standards and Technology:

“... modernização do sistema de distribuição de eletricidade para possibilitar o monitoramento, proteção e otimização automática da operação deste com seus diversos elementos interligados, desde geradores centralizados ou distribuídos passando pela rede de alta tensão e sistema de distribuição, até os usuários industriais e sistemas de automação predial...”

ETPS - European Technology Platform:

“...rede elétrica capaz de integrar de forma inteligente as ações de todos os usuários conectados a ela - geradores, consumidores e aqueles que assumem ambos os papéis - a fim de prover energia elétrica de forma eficientemente, sustentável, econômica e segura.”

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5

9

EPRI - Electric Power Research Institute:

“...uso da comunicação e de modernos recursos computacionais para melhorar a eficiência e confiabilidade das redes de transporte de energia e possibilitar a oferta de novos serviços aos consumidores.”

DOE - Department of Energy USA:

“...uso de tecnologia digital para melhorar a confiabilidade, segurança e eficiência do sistema elétrico: da geração de grande porte, passando pelos sistemas de distribuição de energia e um número crescente de recursos distribuídos geração e armazenamento”

Redes Inteligentes – Definições

Busca de soluções para necessidades

Restrições ambientais crescentes

Exigência de qualidade pela sociedade

Modicidade tarifária x viabilidade econômica

Oportunidades

Melhoria no negócio distribuição de energia

Agregar novos negócios

Otimização dos custos operacionais e de

investimentos

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- Abrangência Restrita do Negóciosó exploração da utilização do “fio” para distribuição de energia elétrica

- Ambiente Regulatório em Transiçãouma década de experiência e ajustes em andamento

- Demandas por tarifas mais adequadascríticas da sociedade das distorções do sistema tarifário

- Ofertas tecnológicas disponíveisautomação, comunicação e eletrônica

- Sub-utilização do potencial do sistema elétricocapilaridade, cadastro e logística

- Possibilidade de integração com outros serviços urbanoságua, gás, internet, segurança, trânsito, etc.

Infra-estrutura (hardware), de Ferramentas (software) e de Procedimentos

(processos) para a adequação do atual negócio de Distribuição de Energia

Elétrica aos novos:

Paradigmas técnicos- aplicação de tecnologia avançada

Paradigmas econômicos - eficiência da distribuição de energia- ampliação do negócio- operação otimizada- otimização de investimentos- aumento do lucro

Paradigmas sociais - diversidade de serviços integrados- qualidade - preço- impacto ambiental

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7

13

Redes Inteligentes – Convergência

13

CONVERGÊNCIATECNOLÓGICA

Infraestrutura de

Comunicação

Tecnologia da

Informação

Serviços de Rede (Web Services)

Geração Distribuída

Home Appliances

Medidor Inteligente

Automação da Rede

Veículos Híbridos ou

Elétricos

14

Um Cenário Internacional

EST

AD

OS

UN

IDO

S

EU

RO

PA

JAP

ÃO

Grau Mediano de Automação do

Sistema

Quantidade Crescente Unidades

de Geração Distribuída

Conectadas ao Sistema

Médio/Alto Grau de Automação do

Sistema

Aumento Intensivo de Unidades de

Geração Distribuída Conectadas ao

Sistema

Aumento Intensivo de Unidades de Microgeração


Alto Grau de Automação do

Sistema

Aumento Intensivo de Unidades de Geração

Distribuída Conectadas ao

Sistema

Aumento Intensivo de Unidades de Microgeração


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8

15

Motivadores no Brasil

Cenário Nacional

Redução de Perdas

Comerciais

Redução de Custos

Operacionais

Aumento da Confiabilidade

do Sistema

Aproveitamentoda

Capilaridade do Sistema

(Novos Serviços)

16

Motivadores no Mundo

EST

AD

OS

UN

IDO

S

EU

RO

PA

JAP

ÃO

Escassez de Recursos Naturais

Confiabilidade do Sistema

Envelhecimento dos Ativos

Prospecção de Novos Serviços

Questões Climáticas

Escassez de Recursos naturais

Envelhecimento dos Ativos

Confiabilidade do Sistema


Escassez de Recursos Naturais

Questões Climáticas


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9

Redes cada vez mais “observáveis”G

GD

Observabilidade

Evolução técnica

T D

Tendências

17

Uso intensivo e complementar de tecnologias de:◦ Automação◦ Monitoramento◦ Diagnóstico◦ Localização de faltas◦ Recursos distribuídos de geração e armazenagem de

energia◦ Medição como unidade remota no cliente◦ Gerenciamento da demanda

18

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10

19

Redes Elétricas Inteligentes –

Uma visão:

20

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11

21

Exemplo de Funcionalidades de Automação -Caracterização

22

InteroperabilidadeRequisito fundamental para a aplicação de funcionalidades em

redes inteligentes

IED

IEDIED

Componente de TI

Componente de TI

Componente de TI

IED

Componente de TI

INTEROPERABILIDADE

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12

Interoperabilidade para Redes Inteligentes

Interoperabilidade é a capacidade de um processo interagir com outro processo, de forma transparente e com elementos de relacionamento construídos de forma independente de cada um dos processos,

É fundamental que sejam utilizados padrões abertos para os componentes tecnológicos envolvidos.

Os processos interoperantes podem ser de quaisquer naturezas, operados por sistemas de informações ou não.

24

Proposta de plataforma IntelligridIntegração dependente da tecnologia(situação atual)

Interoperabilidade

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25

Interoperabilidade – Tendências

IEC 61850, DNP3, ...

IED

IEDIED

Componente de TI

Componente de TI

Componente de TI

IEC 61968

SISTEMAS TI EQUIPAMENTOS

26

Interoperabilidade – Sistemas

IEC 61968 ‐ Application integration at electric utilities –System interfaces for distribution management

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Interoperabilidade – Equipamentos

IEC 61850 ‐ Communication networks and systems in substations

FONTE: ZHANGAND, J.; GUNTER, C. A., “IEC 61850 ‐ Communication Networks and Systems in Substations:An Overview of Computer Science” University of Illinois at Urbana‐Champaign, Estados unidos

28

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15

Síntese Metodológica

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MEDIÇÃO

AUTOMAÇÃO TELECO / TI

GD / VE

PENETRAÇÃO E FUNCIONALIDADES

DE GD

PENETRAÇÃO DE MEDIÇÃO

REQUISITOS DE TEL/TI

REQUISITOS DE TEL/TI

REQUISITOS DE MEDIÇÃO

POLÍTICAS PÚBLICAS

Integração dos Blocos

30

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16

Representação da RedeConceito de Clusters

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

ConjuntoConjun

to

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Representante

“CLUSTER 1”

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

ConjuntoConjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Conjunto

Representante

“CLUSTER 30”

31

32

Subestação de Distribuição ‐ SED

Grupo 1

•Monitoramento de Carregamento

•Telecomando de Equipamentos

•Transferência Automática de Carga Entre Transformadores

•Monitoramento de Carregamento


•Transferência Automática de Carga Entre Transformadores

Grupo 2

•Sistema Automático de Rejeição de Carga

•Sistema Automático de Rejeição de Carga

Grupo 3

•Manutenção Preditiva Focada na Condição dos Equipamentos


Grupo 4

•Ajuste Remoto dos Dispositivos de Proteção

•Análise Automática de Oscilografia Para Diagnóstico de Ocorrências

•Ajuste Remoto dos Dispositivos de Proteção

•Análise Automática de Oscilografia Para Diagnóstico de Ocorrências

Grupo 5

•Esquemas Lógicos de Proteção e Controle

•Esquemas Lógicos de Proteção e Controle

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33

Grupo 1

•Monitoramento de Carregamento ao Longo do Alimentador


•Monitoramento de "Power Quality"

•Localização de Defeito – Nível I (Chaves e Religadores)

•Monitoramento de Carregamento ao Longo do Alimentador


•Monitoramento de "Power Quality"

•Localização de Defeito – Nível I (Chaves e Religadores)

Grupo 2



Grupo 3

•Localização de Defeito –Nível II (Chaves, Religadores, AMR e/ou Localizadores de Falta Monitorados

•Localização de Defeito –Nível II (Chaves, Religadores, AMR e/ou Localizadores de Falta Monitorados

Grupo 4

•Isolamento Automático do Trecho em Falta e Recomposição dos Demais (Self-Healing) - Nivel I (Automação Local)

•Isolamento Automático do Trecho em Falta e Recomposição dos Demais (Self-Healing) - Nivel I (Automação Local)

Grupo 5

•Isolamento Automático do Trecho em Falta e Recomposição dos Demais (Self-Healing) - Nivel II (Automação Central)

•Reconfiguração Automática para Gerenciamento dos Índices Técnicos

•Isolamento Automático do Trecho em Falta e Recomposição dos Demais (Self-Healing) - Nivel II (Automação Central)

•Reconfiguração Automática para Gerenciamento dos Índices Técnicos

Grupo 6

•Controle de Tensão/VAR

•Controle de Tensão/VAR

Sistema de Distribuição de Média Tensão – SDMT

34

FUNCIONALIDADES DE AUTOMAÇÃO

Sistema de Distribuição de Baixa Tensão – SDBT

Grupo 1

•Resposta a Demanda

•Resposta a Demanda

Grupo 2

•Rejeição de Carga pela Baixa Tensão

•Rejeição de Carga pela Baixa Tensão

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Representação da Rede

Atributos do Cluster ANEEL Atributos Adicionais DEC FUNCs

Formação dos Clusters

Perda Comercial Taxa de Crescimento Custo da END

Atributos Adicionais

DECCLUSTER

DECALTO

DECBAIXO

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Evolução da RedePI = Penetração Inicial do Conjunto de

Funcionalidades “a” no Cluster “b” (Função dos Questionários)

PF = Penetração Final do Conjunto de Funcionalidades “a” no Cluster “b” (Função do Cenário)

TI = Tempo Inicial da Evolução da Penetração do Conjunto de Funcionalidades “a” no Cluster “b” (Função do Cenário)

TF = Tempo Final da Evolução da Penetração do Conjunto de Funcionalidades “a” no Cluster “b” (Função do Cenário)

36

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19

Evolução da Rede

Rede Alvo “Alto”

Cluster 1 Cenário 1

37

38

Funcionalidades de Redes Inteligentes - Modelo

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20

39

52,0%

60,6%

75,3%

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

Brasil ‐ percentual de unidades consumidoras com medidor inteligente

Conservador Moderado Acelerado

Premissas:Tx crescimento mercado 4,0 % aaTx crescimento consumidores1,78% aa

23/10/2013

21

‐ ‐ ‐ ‐

4,0

7,9

11,8

15,6

19,5

23,4

27,3

31,2

35,0

38,9

42,6 46,1

49,0 50,5 51,4

‐ ‐ ‐

4,5

9,0

13,5

18,0

22,4

26,9

31,3

35,8

40,2

44,6

48,9

52,9 56,3

57,9 58,9 60,0

‐ ‐

5,5

11,0

16,4

21,9

27,3

32,7

38,2

43,6

49,0

54,4

59,6

64,5

68,6 70,6 71,9 73,1 74,4

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

milhões de UC

Brasil ‐ número de unidades consumidoras com medidor inteligente

Conservador Moderado Acelerado

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030

R$ milhões

Brasil ‐ Investimentos correntes ‐ Cenário Acelerado

Investimentos Correntes em Medição, incluindo TI e Telecom Investimentos Correntes em Automação, incluindo TI e Telecom

Subsídios para GD, incluindo TI e Telecom Investimento Total

23/10/2013

22

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030

R$ milhões

Brasil ‐ Investimentos correntes ‐ Cenário Moderado



0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030

R$ milhões

Brasil ‐ Investimentos correntes ‐ Cenário Conservador



23/10/2013

23

18,5

3,5

9,9

5,2

6,4

1,81,3

11,9

15,8

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

Acelerado

R$ milhões

Medição Automação GD Med PNT Oper Ativos END Exp. GD

Brasil ‐ Cenário Acelerado ‐ Valor presente de custos e benefícios

Custos Benefícios ‐ inf Benefícios ‐ sup

Medição

Automação

GD

Custo evitado GD

Redução END

Redução PNT

Custo evitado Med

R$

bilh

ões

23/10/2013

24

11,3

3,0

2,7

4,1

4,9

7,9

11,3

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

Acelerado

R$ milhões


Brasil ‐ Cenário Moderado ‐ Valor presente de custos e benefícios


Medição

Automação

GD

Custo evitado GD

Redução END

Redução PNT

Custo evitado Med

R$

bilh

ões

8,4

2,2

3,1

3,8

3,6

6,8

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

Acelerado

R$ milhões


Brasil ‐ Cenário Conservador ‐ Valor presente de custos e benefícios

48


Medição

Automação

Custo evitado GD

Redução END

Redução PNT

Custo evitado Med

R$

bilh

ões

23/10/2013

25

RESULTADOS OBTIDOSEficiência Operacional – Clusters Brasil

49

RESULTADOS OBTIDOSConfiabilidade – Clusters Brasil

50

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RESULTADOS OBTIDOSGestão de Ativos – Clusters Brasil

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Plano de Implantação

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Tema principal de pesquisa, projetos de P&D, desenvolvimentode modelos e ferramentas computacionais, dissertações e teses;

IEEE ISGT LA 2013: IEEE Conference on Innovative Smart Grid Technologies.

Coordenação do NAPREI – Núcleo de Pesquisas em Smart Grids

Smart Grid Lab: Ambiente de simulação para emular sistemas elétricos conectados a sistemas de automação, medição, TI e Telecomunicação reais.

UACs Relés IED ReligadoresRemotas / Medição

Energia Elétrica

Agua, Gás, etc.

Barramento Interoperabilidade

DMS OMS SinapGridSistemas Legados

EMS Gestão Ativos Outros Sistemas

Meios de Comunicação

TransdutorAmbiente digital / Ambiente físico

MDM SCADA

GIS

Emulador de RedeSINAP‐ON

Unidades GD e uGD

23/10/2013

28

Obrigado!

Nelson Kagan - [email protected] – Centro de Estudos em Regulação e Qualidade de Energia

NAPREI – Núcleo de Pesquisas em Redes Elétricas InteligentesUniversidade de São Paulo

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universidade de são paulo -...

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