2.2 Definição de cada elemento do circuito e sua sintaxe de comando
2.2.6 Gerador
O gerador é especificado pelo objeto generator. Os parâmetros necessários para defini-lo são:
• bus1 = Nome da barra na qual o gerador está conectado; • phases = No de fases do gerador;
• kV = tensão base em kV para o gerador; • kW = potência total para todas as fases;
32 Capítulo 2. O software OpenDSS • Pf = fator de potência nominal para o gerador. Pf Negativo significa que ele está
absorvendo potência reativa. Para Pf=1 o sinal é indiferente;
• Model = no inteiro que define como o gerador irá variar com a tensão. São 7 modelos disponíveis.;
• Daily = nome da curva de carga associada ao modo "Daily"; • Duty = nome da curva de carga associada ao modo Duty cycle; • Conn = conexão da carga em delta ou estrela.
Um exemplo de comando para o gerador é:
New Generator.G12 bus1=12 kW=5 kV=0.38 conn=delta model=1 pha- ses=3 pf=1 duty=wind_turbine1
2.2.7
Carga
A carga é especificada pelo objeto load. Os parâmetros necessários para especificá-la são:
• bus1 = Nome da barra na qual a carga está conectada; • phases = No de fases da carga;
• kV = tensão base em kV para a carga; • kW = potência total para todas as fases; • Pf = fator de potência nominal;
• Model = no inteiro que define como a carga irá variar com a tensão. São 8 modelos disponíveis;
• Daily = nome da curva de carga associada ao modo Daily; • Duty = nome da curva de carga associada ao modo Duty cycle; • Conn = conexão da carga em delta ou estrela.
Para o modelo ZIP é necessário definir o objeto "zipv" que é composto por 7 valores inteiros. Como exemplo, tem-se:
zipv = (0.5,0,0.5,1,0,0,0.9)
no qual os três primeiros dígitos são fatores de ponderação ZIP para a potência ativa, os três seguintes são fatores de ponderação ZIP para a potência reativa e, o último
2.2. Definição de cada elemento do circuito e sua sintaxe de comando 33
número, é o valor em p.u da tensão de corte. A soma dos três primeiros números deve ser igual a 1, assim como a soma dos três seguintes. Não há default, sendo necessário a especificação dos valores. Um exemplo de comando para a carga é:
New Load.M2a Bus1=2.1.0 Phases=1 Conn=Wye Model=8 kV=(13.8 3 sqrt /) kW=400.0 pf=0.92 daily=day status=variable zipv=(0.5, 0, 0.5, 1, 0, 0, 0.9)
2.2.8
EnergyMeter
O objeto EnergyMeter funciona como um medidor inteligente conectado a um terminal de um elemento do circuito, simulando o comportamento de um medidor de energia real. Esse objeto não se limita a coletar informações somente do local que está instalado, mas pode acessar valores em outros lugares no circuito. Com ele é possível medir a energia em kWh, a potência, as perdas e os valores de sobrecarga em uma área definida do circuito [8].
O EnergyMeter também é capaz de diferenciar as perdas no ferro e cobre dos transformadores, bem como as perdas ocorridas em até sete níveis de tensão diferentes [7]. Essa ferramenta é importante para a análise nos modos daily, yearly e duty, já que retorna valores ao longo de todo o tempo de simulação do circuito. As principais informações que o EnergyMeter fornece são encontrados na Tabela 3.
Um exemplo de comando para esse objeto é:
34 Capítulo 2. O software OpenDSS
Tabela 3 – Registros de saída do EnergyMeter. Elaborado a partir de [7]. Registro Medição
1 kWh no local do medidor
2 kVarh no local do medidor
3 kW máxima no local do medidor
4 kVA máxima no local do medidor
5 kWh na área do medidor
6 kVarh na área do medidor
7 kW máxima área do medidor
8 kVA máxima área do medidor
9 kWh sobrecarga na área do medidor, classificações normais 10 kWh sobrecarga na área do medidor, classificações de emergência
11 Exceder a capacidade normal de energia (REE) para as cargas na área do medidor 12 Energia não suprida (UE) às cargas na área do medidor
13 Perdas (kWh) nos elementos de fornecimento de energia na área do medidor
14 Perdas reativas (kVarh ) nos elementos de fornecimento de energia na área do medidor 15 Perdas máximas (kW ) nos elementos de fornecimento de energia na área do medidor
16 Perdas reativas máximas (kVar) nos elementos de fornecimento de energia na área do medidor 17 Perdas cobre kWh Perdas (I2 * R) nos elementos de fornecimento de energia
18 Perdas cobre kVarh Perdas (I2 * X) nos elementos de fornecimento de energia 19 Perdas ferro em kWh nos elementos de derivação, principalmente transformadores 20 Perdas ferro em kvarh em elementos de derivação
21 Máxima perdas no cobre kW durante a simulação 22 Máxima perdas no ferro kW durante a simulação 23 Perdas de linha: Perda no elemento LINE
24 Perdas do Transformador: Perda no elemento transformador 25 Perdas de sequência positiva e negativa em linhas trifásicas 26 Perdas de sequência zero em linhas trifásicas
27 Perdas em linhas de trifásicas
28 Perdas em linhas de monofásicas e bifásicas
29 Geração em kWh
30 Geração em kvarh
31 Máxima potência gerada kW
32 Máxima potência gerada kVA
2.2.9
Monitor
O Monitor permite a visualização, de todas as fases, do comportamento de corrente, tensão e potência ao longo do tempo, para o modo daily, yearly e duty. Os dados obtidos também podem ser exportados para um arquivo .CSV, que conterá os valores de tensão, potência ou corrente para cada elemento.
Um exemplo de comando para esse objeto é:
2.3. Pós-simulação 35
2.3
Pós-simulação
Após a inserção de todos os parâmetros essenciais, o circuito já pode ser resolvido. Isso se dá através do comando Solve e logo em seguida é inserido os comandos que o usuário deseja visualizar com a resolução do circuito. Os dados obtidos nessa etapa são fundamentais para a análise do circuito como, por exemplo, os níveis de tensão nas barras, as potências ativas e reativas em cada elemento, as perdas totais do circuito e as curvas de tensão versus tempo.
A seguir há alguns dos principais comandos que são utilizados no software:
• Show voltagesln: mostra as tensões fase-neutro de cada barra;
• Show powers kva: fornece os valores de potência ativa e reativa que é fornecida ou consumida por cada elemento do circuito;
• Show losses: indica as perdas em cada elemento, as perdas totais nas linhas e nos transformadores, bem como a porcentagem das perdas no circuito;
• Plot Loadshape: mostra a curva de carga ao longo do tempo;
• Plot Monitor: mostra a curva de tensão ou potência ao longo do tempo.
Cabe salientar que o OpenDSS quando é executado no modo daily, yearly ou duty fornece os resultados apenas para o último ponto da curva de carga. Por exemplo, as tensões e perdas encontradas através dos comandos Show voltagesln e Show losses são para o último ponto do loadshape especificado.
Há formas de contornar esse problema com métodos iterativos através a interface COM, utilizando softwares como MATLAB ou linguagens como VBA e Phyton. Com métodos iterativos é possível obter o resultado para cada ponto da curva de carga e, assim, obter o valor total das perdas ou o nível de tensão ao longo do tempo, bem como outros parâmetros.
O software OpenDSS também oferece algumas ferramentas poderosas, como o objeto Energy Meter e Monitor que monitoram o circuito a todo tempo e não apenas para o último ponto da curva de carga.
37
3 Descrição do problema
Nesse estudo foi utilizado como circuito de análise o sistema proposto pela ANEEL, que consta em [7]. Este circuito é composto por 20 barras, 2 transformadores, 2 reguladores de tensão e 12 cargas, conforme Figura 3. A partir dele foi realizada a inserção de geradores em 14 barras, conforme Figura 4, para analisar o impacto que os geradores distribuídos provocarão no sistema em seis diferentes cenários de estudo.
Figura 3 – Circuito original representativo (sem considerar as coordenadas).
O primeiro cenário observará o impacto dos geradores no sistema com uma produção fixa de energia, em um intervalo de 1 hora, considerando eles ora ativos ora inativos. Serão analisadas quatro situações possíveis: carga alta com todos os geradores ativados, carga alta com todos os geradores desativados, carga baixa com todos os geradores ativados e carga baixa com todos os geradores desativados.
38 Capítulo 3. Descrição do problema
Figura 4 – Circuito representativo com a inserção dos geradores (sem considerar as coor- denadas).
No segundo cenário será analisado o impacto dos geradores eólicos distribuídos em um curto intervalo de tempo de 3h20min. Para isso, será utilizado uma curva de carga dos geradores disponibilizada em um dos próprios exemplos do software. Esse arquivo contém 2400 pontos variando a cada 5s. A carga será fixa e igual a 80% da carga máxima do sistema.
O terceiro cenário contemplará o impacto dos geradores distribuídos em um longo intervalo de tempo, durante 75 dias em intervalos de 24 horas. Para levantar a curva de carga dos geradores foram coletados dados da velocidade do vento para a cidade de Rio Grande-RS, através do site do INMET [10], do período de 18/10/2014 à 31/12/2014. A curva de carga para as cargas se mantém e será a mesma utilizada em [7].
No quarto cenário será considerado uma situação crítica que corresponde a carga do sistema com valor igual ou superior a 20% da carga máxima total. Isto é, o sistema terá essa carga em alguns momentos do dia, mas será sempre superior aos 20% da carga máxima total. O objetivo é encontrar, para essa situação, a máxima potência que podem ter os geradores colocados em alguns pontos do circuito para que haja fluxo nulo de potência
3.1. Definição do circuito 39
ativa na subestação. Ou seja, qualquer gerador com potência abaixo dessa potência máxima não acarretará fluxo de potência em direção à subestação.
O quinto cenário de análise abordará uma situação extrema, ou seja, será colocado geradores com alta potência, equivalente a 3 vezes a potência dos geradores originais, com a carga máxima do circuito operando. Através dessa análise serão encontradas as barras críticas do sistema.
No sexto e último cenário de estudo serão ativados aleatoriamente apenas cinco geradores (2, 6, 9, 11, e 17), dos 14 disponíveis. Além disso, a potência de cada um deles será o triplo da potência original e a carga será 100% da carga máxima do sistema. O objetivo será avaliar o impacto que geradores isolados com alta potência podem acarretar nos outros barramentos, mesmo quando estes não estão diretamente ligados aos geradores.
3.1
Definição do circuito
O programa foi dividido em vários arquivos separados para uma melhor organização dos dados e para que possíveis modificações pudessem ser feitas analisando cada arquivo separadamente. Para isso, utilizou-se o comando "Redirect", que chama os arquivos contidos numa mesma pasta e foram inseridos no arquivo "Run.dss" da seguinte forma:
• Redirect alimentador.dss • Redirect cabos.dss • Redirect segmentos.dss • Redirect reguladores.dss • Redirect transformadores.dss • Redirect geradores.dss • Redirect cargas.dss • Redirect medidores.dss • Redirect geradores_caso5 • Redirect geradores_caso6 • Redirect energy_meter • Redirect plot_tensao.dss
40 Capítulo 3. Descrição do problema
Esse último comando foi inserido após o Solve, já que é um comando que fornece resultados de saída após a simulação. O programa completo desenvolvido nesse trabalho está no Apêndice A.
3.1.1
Cabos e segmentos
A Tabela 4 e Tabela 5 contém os parâmetros desses elementos. Tabela 4 – Dados dos cabos utilizados [7] Condutor No de fases R1(ohm/km) X1(ohm/km)
336.4 3 0,222 0,402 3/0 3 0,443 0,428 1/0 3 0,705 0,45 336.4_2 2 0,222 0,402 3/0_2 2 0,443 0,428 1/0_2 2 0,705 0,45 336.4_1 1 0,222 0,402 3/0_1 1 0,443 0,428 1/0_1 1 0,705 0,45
Tabela 5 – Informações sobre os segmentos [7]
Segmento Barra 1 Barra 2 Fases Condutor Comprimento(km)
MT1 1 2 1.2.3 336.4 2,75 MT2 2 3 1.2 3/0_2 2,75 MT3 2 4 3 336.4_1 2,5 MT4 2 8 1.2.3 336.4 3 MT5 4 5 3 1/0_1 2 MT6 4 6 3 3/0_1 3,25 MT7 6 7 3 1/0_1 2,5 MT8 8 9 1.2.3 1/0 3 MT9 9 10 1 1/0_1 2,25 MT10 10r 15 1 1/0_1 4,25 MT11 15 11 1 1/0_1 6,5 MT12 9r 13 1.2.3 1/0 4,25 BT1 16 12 1.2.3 1/0 0,25 BT2 3c 18 2 1/0 0,25 BT3 3c 17 1 1/0 0,25
3.1. Definição do circuito 41
3.1.2
Transformadores e reguladores
Para o sistema estudo foram definidos dois transformadores e dois reguladores de tensão (reg10a e reg9a). O transformador TR1 é trifásico e o TR2 é monofásico. A presença dos reguladores de tensão é fundamental para ajustar a tensão nos barramentos para níveis aceitáveis.
A Tabela 6 e Tabela 7 contém os parâmetros desses componentes. Tabela 6 – Dados dos transformadores e reguladores [7]
TR1 TR2 reg10a reg9a No de fases 3 1 1 1 No de enrolamentos 2 3 2 2 Potência nominal(kVA) 150 45 1000 600 Tensão primária(kV) 13,8 13,8 7,97 13,8 Tensão secundária(kV) 0,38 0,19 7,97 13,8
Conexão delta/estrela delta/estrela estrela/estrela delta aberto
Tap(pu) 1,05 1 - - R% 0,635 1,2 - - Xhl(%) 2,72 2,04 0,5 0,5 Xht(%) - 2,04 - - Xlt(%) - 1,36 - - Perda total(%) 0,5 0,5 0,3 0,3 Perda (%) 0,2 0,2 0,1 0,1
Tabela 7 – Dados da parte de controle do regulador de tensão creg9a/creg9c creg10a Segmento de linha de conexão 10.1 10r.1
No de enrolamentos 2 2
Potência nominal(kVA) 600 1000
Tensão primária(kV) 13,8 7,97
Tensão secundária(kV) 13,8 7,97
Conexão delta/estrela delta/estrela
Faixa 2 2
Tensão controlada pelo regulador 105 105
42 Capítulo 3. Descrição do problema
3.1.3
Cargas e geradores
A Tabela 8 e Tabela 9 contém as especificações e ligações das cargas e geradores, respectivamente. Para todos os geradores considerou-se fator de potência unitário, conexão delta e modelo 1, ou seja, modelo que injeta potência ativa constante para um determinado fator de potência. Além disso foi considerado que cada gerador possui potência fixa de 30kW, 60kW ou 180kW. Esses valores foram escolhidos de forma empírica de acordo com as características dos geradores ligados em cada barra.
Tabela 8 – Dados das cargas utilizadas com os valores de potência ativa para cada fase [7] Carga Barra 1 No Fases Conexão Tensão(kV) Modelo FP Potência (kW)
Fase A Fase B Fase C
M2a 2 1 wye 7,97 ZIP 0,92 400
M5c 5 1 wye 7,97 ZIP 0,92 400
M6 6 1 wye 7,97 ZIP 0,92 400
M7c 7 1 wye 7,97 ZIP 0,92 40
M8 8 3 wye 13,8 ZIP 0,92 100 100 100
M9 9 3 wye 13,8 ZIP 0,92 200 200 200
M11a 11 1 wye 7,97 ZIP 0,92 20
M15a 15 1 wye 7,97 ZIP 0,92 200
M13 13 3 delta 13,8 ZIP 0,92 200 200 200
B12 12 3 delta 0,38 ZIP 0,92 25 25 25
B17a 17 1 wye 0,19 ZIP 0,92 10
B18b 18 2 wye 0,19 ZIP 0,92 10
Tabela 9 – Dados dos geradores utilizados. Gerador Barra No fases Vnominal(kV) P(kW)
G2 2 3 7,97 180 G4 4 3 7,97 180 G5 5 3 7,97 180 G6 6 3 7,97 180 G7 7 3 7,97 180 G8 8 3 13,8 180 G9 9 3 13,8 180 G11 11 3 7,97 180 G15 15 3 7,97 180 G13 13 3 13,8 180 G12 12 3 0,38 60 G16 16 3 0,38 180 G17 17 3 0,19 30 G18 18 3 0,19 30
Para a carga foi escolhido o modelo 8 (ZIP), referente a impedância Z, corrente I e potência P. Esse modelo contém os expoentes de potência ativa e reativa para cada um dos três tipos de modelos de carga. Com isso, para o nosso estudo foi considerado que