O sistema elétrico, como qualquer outro sistema real, é passível de falhas. É a partir de processo de análise de contingenciamento que são analisadas as novas condições da rede para se verificar o estado de segurança operacional. Nesse viés, o contingenciamento é de fato incorporado ao presente estudo.
Segundo Monticelli e Garcia (2011), pode-se definir o contingenciamento como a retirada eventual ou mesmo o desligamento de algum componente do sistema, o que representa um distúrbio potencialmente prejudicial para sua operação adequada. Pode ser causado por uma falta, por uma manutenção ou por uma perturbação, com consequente disparo do sistema de proteção, formado por relés ou disjuntores.
As contingências mais comuns, citadas por Mendez (1993) e Aurich (2004), são: • interrupção de linha de transmissão ou distribuição;
• remoção de transformadores;
• desligamento de unidades geradoras; • remoção de carga;
• remoção de componentes shunt; • abertura não programada de circuitos; • adição de novos circuitos (reconfiguração).
Quanto ao primeiro tipo de contingência, objeto de estudo deste trabalho, é geralmente ocasionada por descargas atmosféricas, sobrecargas, operação indevida de proteção, erros de operador ou acidentes (queda de árvores etc.). Pinto e Pereira (1995) afirmam que a maioria dos desligamentos ocorrem em linha única, e que os desligamentos múltiplos ocorrem devido a faltas em barras ou acidentes que envolvem múltiplas torres de transmissão.
Entretanto, como falado em seções anteriores, os SEPs atuais são projetados para suportarem as contingências simples, também chamadas de contingências N–1. Isto equivale a dizer que na ausência de um único equipamento o sistema opera de modo seguro, no qual a carga é atendida e todas as variáveis do sistema estão dentro da faixa normal de operação sem haja equipamento sobrecarregado (MONTICELLI, 1983).
2.2.1 Consequências do Contingenciamento
Os SEPs estão susceptíveis a distúrbios de diversos graus de severidade. No entanto, estes sistemas devem ser estáveis, isto é, devem retomar para um estado de equilíbrio após serem submetidos a uma perturbação física, onde suas restrições físicas, operacionais e de segurança sejam atendidas. No entanto, todas as contingências trazem consequências para o sistema de potência (MENDEZ, 1993; AURICH, 2004; WOOD; WOLLENBERG; SHELE, 2014). As mais comuns, são mencionadas a seguir.
Instabilidade de tensão
Todos os SEPs devem ser estáveis, isto é, devem ser capazes de manter níveis aceitáveis de tensão nas barras tanto para condições normais de operação quanto para condições de contingenciamento (durante e após o distúrbio). Instabilidades de tensão podem ocorrer por causa do aumento da carga ou por distúrbios no sistema, como é o caso dos congestionamentos. Um fator importante que provoca a instabilidade de tensão é a incapacidade do sistema em atender a demanda de potência reativa (AURICH, 2004).
Instabilidade de ângulo
Os sistemas de potência apresentam dificuldades em manter os geradores em sincronismo após ocorrência de distúrbios na rede. Isto se deve à dinâmica dos ângulos do rotor do gerador e das relações de potência-ângulo. Em condições normais de operação, há um equilíbrio entre o torque mecânico e o torque eletromagnético de cada gerador. No entanto, em operação de contingência, a transferência de energia pode não compensar precisamente a diferença entre o torque mecânico e o torque eletromagnético. Desta forma, se o sistema não conseguir absorver esta diferença de energia, a oscilação causará instabilidade (MENDEZ, 1993; DESTER, 2006).
Instabilidade de frequência
A frequência de um SEP deve ser mantida dentro de uma faixa aceitável para qualquer nível de operação. Preconiza-se que os geradores devem operar na faixa de ±0.5 Hz em torno da frequência nominal (50 ou 60 Hz). As variações na frequência podem acontecer, por exemplo, em virtude do desligamento de uma unidade geradora de grande
porte, ou mesmo devido a um excesso de geração (WOOD; WOLLENBERG; SHELE, 2014).
Desligamentos em cascata
Desligamentos em cascata de linhas e transformadores podem ocorrer quando uma sucessão descontrolada de abertura de linhas é provocada por falha em um único local. Estas mudanças podem provocar a operação de alguns dispositivos de proteção resultando em desligamentos de outras linhas. Elevada temperatura pode causar também desligamentos de linhas em cascata. O desligamento em interligações entre regiões do sistema torna-se crítico quando o intercâmbio de energia é muito elevado, resultando às vezes na interrupção do suprimento de energia de milhões de consumidores, como é o caso do blecaute ocorrido no Brasil em 10 de novembro de 2009 (ONS, 2009; SALAMI, 2017).
2.2.2 Análise de Contingências
A análise de contingência, ferramenta essencial para se avaliar a segurança dos sistemas de potência diante de falhas de componentes e alterações topológicas, pode ser entendida como o estudo de cada uma das possíveis contingências onde, para cada caso, é verificado o impacto provocado no sistema elétrico, e determinado se o sistema é seguro, ou não. Quando a análise de contingências está associada à solução de um FPORS, não é obtido o estado atual do sistema, mas sim ações de controle necessárias para aumentar o nível de segurança do mesmo. Neste contexto, estas análises são de grande importância para o fornecimento ininterrupto de energia, pois evitam graves danos aos equipamentos da rede e reduzem a chance de interrupção no fornecimento da energia elétrica (WOOD; WOLLENBERG; SHELE, 2014).
Conforme Mendez (1993), Aurich (2004) e Wood, Wollenberg e Shele (2014), o processo de análise de contingências é dividido em três etapas:
• definição de contingências: nesta etapa é construída a lista a ser processada,
composta de casos com probabilidade de ocorrência considerada suficientemente alta. Esta lista de casos “prováveis” pode variar com a topologia do sistema, carga e fatores ambientais, e também pode incluir contingências que resultam em várias outras contingências;
• seleção de contingências: o objetivo é identificar o subconjunto de casos que
causam violação no sistema. São utilizados métodos computacionais com modelos aproximados do sistema, para obtenção de um resultado rápido, porém, de exatidão limitada (a avaliação de uma contingência não requer alta precisão ). Os casos de contingência são classificados em ordem decrescente de severidade ou de acordo com a probabilidade de ocorrência de um determinado evento;
• avaliação de contingências: consiste em simular cada caso da lista citada
ante-riormente utilizando fluxo de potência não-linear. O processo é finalizado quando não é mais observada qualquer violação pós-contingência, ou quando um número máximo de casos é atingido.
No que tange à seleção de contingências, no processo de análise é realizado uma lista de casos “prováveis” de contingências. Dependendo de critérios de operação e da severidade do problema, haverá uma resposta a esta lista, que pode ser implementada pelo operador do sistema (no Brasil o órgão responsável é o Operador Nacional do Sistema (ONS)) ou por uma função com restrição de segurança automática. Segundo Aurich(2004),
tal resposta pode ser dos seguintes tipos:
• modificar o estado pré-contingência com a finalidade de aliviar ou mesmo eliminar a emergência resultante e uma contingência específica;
• realizar uma estratégia de controle que aliviará a emergência, se ela ocorrer;
• nada fazer, na hipótese da emergência pós-contingência ser pequena ou improvável de acontecer.
Contingência mais severa versus contingência mais provável
Quando se fala em análise de contingências, a literatura dá destaque a dois tipos de faltas simples: contingência mais severa e contingência mais provável. Os métodos de análise de contingência, de um modo geral, calculam os limites rígidos da pior contingência (a mais severa) para a condição do sistema, independentemente da probabilidade de ocorrência da mesma. Porém, algumas das contingências, que têm maiores impactos no sistema, podem ter uma probabilidade muito baixa de ocorrência (HARZA; SINHA,2010).
Neste contexto, faz-se necessário utilizar um método de análise probabilística de contingências, onde estas são classificadas com base não somente no grau de severidade (HARZA; SINHA,2010).