Prospecção de Alternativas de Implementação de IVVC

Prospecção de Alternativas de Implementação de

IVVC

Thiago A. Enei Alves, Otávio Wilges

Energisa Paraíba, Rodovia Br-230, 25000, Km 25, Cristo Redentor, João Pessoa - PB, CEP: 58071-680

Hamilton Iwamoto, Jorge Henrique J. G. Matos, João Luiz Mercante

CPqD, R. Dr. Ricardo Benetton Martins, s/n – Parque II do Polo de Alta Tecnologia, Campinas – SP, CEP 13086-902

Resumo _{- Este trabalho mostra os resultados obtidos em uma}

prova de conceito de um sistema IVVC, Integrated Volt/VAr Control ou Sistema de Controle Integrado de Volt /VAr, na concessionária Energisa.

Soluções IVVC possuem como principais objetivos: a redução de níveis de tensão durante horários de pico, redução de níveis de tensão por períodos mais longos para conservação de eletricidade e redução de perdas técnicas nos alimentadores.

Sistemas de controle de Volt/VAr evoluíram de sistemas isolados, não integrados, para sistemas baseados em aplicações avançadas de DMS, interagindo com dispositivos da rede, tais como LTC, bancos de capacitores e reguladores, em resposta a alterações de perfis de carga de rede.

Nessa prova de conceito, a redução de energia foi compatível com as alcançadas por concessionárias no mundo, o que serve como referência de aplicação em outros conjuntos elétricos da empresa.

Para finalizar o artigo indica quais questões devem ser consideradas para implantação de um projeto desse tipo.

Palavras-chaves _ Controle de Reativos, VVC, Conservação de Energia, CVV, Smart Grid, IVVC, Integrated Volt VAr Control

I.INTRODUÇÃO

As concessionárias tem o desafio permanente de manter suas redes de distribuição com níveis de tensão nas faixas definidas pelo órgão regulador e minimizando as perdas técnicas.

No passado, as concessionárias faziam uso de equipamentos tais como LTCs (Load Tap Changer), reguladores e bancos

de capacitores para adequar os níveis de tensão e carga reativas de forma estática, ou seja, sem alterar ajustes desses equipamentos de forma a acompanhar as alterações diárias e sazonais dos perfis de carga.

Com a evolução desses equipamentos que passaram a incorporar interface para coleta de dados e possibilidade de

ajuste de forma “on line”, com a melhoria na infraestrutura de

comunicação e com a concepção de sistemas especialistas para atuação nesses equipamentos, criaram-se as condições necessárias para uso mais intensivo de sistemas de redução de Volt VAr.

No processo permanente de modernização de subestações pelas concessionárias e da rede de distribuição, muitas já contam com sistemas e dispositivos inteligentes permitindo suportar funções mais sofisticadas disponíveis de IVVC no SCADA ou DMS.

Em um contexto de modernização contínua, a Energisa fez importantes investimentos em inovações tecnológicas aderentes ao conceito de Smart Grid. Adquiriu e implantou um novo SCADA e com recursos de P&D ANEEL1

desenvolveu com o CPqD uma metodologia para padronização, priorização e atualização das subestações de distribuição aderentes aos requisitos atuais de proteção, gerência, controle e comunicação.

Dando continuidade a esses investimentos, a Energisa atualmente concentra esforços na avaliação de alternativas de implementação de IVVC (Integrated Volt/VAr Control) cujos

resultados de uma Prova de Conceito são aqui apresentados.

Este trabalho está estruturado da seguinte forma: Inicialmente é mostrada uma classificação de solução de IVVC, depois são apresentados projetos similares no mundo, em seguida, é detalhada a experiência e resultados de uma prova de conceito na Energisa e finalmente, são mostradas as conclusões e próximos passos.

1 _{Este trabalho foi desenvolvido com recursos de P&D da}

ANEEL, através do Projeto 6585-1102/2011,

II.MOTIVAÇÃO

Em meio ao cenário crítico que o setor el enfrentado, muitas oportunidades surgem equipes a buscar tecnologias, melhor soluções integradas que auxiliem na operacionais e ampliem a eficiência do possibilitar um maior conforto e satisfaçã

Adicionalmente, com a evolução d consequentemente, do conceito de ger necessidade do monitoramento mais acur potência, nível de tensão e qualidade de cliente se torna ainda mais complexo e im

Dentro desse contexto, quando implemen possibilitam obter um nível de tensão ót reativos na rede, cooperando para a obten de potência ao final, certamente o valor d de consumo de energia será reduzido.

Por fim, o Órgão Regulador tem exigido de forma continuada, a ampliação da e Reflexo disso é a resolução Nº 569 da AN a abrangência na aplicação do fator faturamento do excedente de reat consumidoras e altera a Resolução Norma setembro de 2010.

Espera-se com a implantação de um obtenção dos seguintes benefícios:

• Adiamento de investimentos na

melhor utilização dos recursos;

• Atendimento dos aspectos técnic • Redução do impacto ambiental,

mais energia pode ser entregue sem necessidade de geração adic

• Redução das compensações; • Melhor controle da qualidade

reduzindo perdas por conta de te como evitando interrupções por mínimos de tensão nominal;

• Redução na aquisição de energia • Maior flexibilidade da rede d

atender perfis de carga variados.

III.CONCEITO DO VOLT V

Através de uma inteligência computa modo centralizado e integrado aos d concessionária ou através de uma inteligê meio de ativos instalados nas Subestaçõ de medir as variáveis analógicas e digita

elétrico brasileiro tem m a fim de desafiar as orias de processo e a redução de custos o sistema, de modo a ção ao cliente final.

do Smart Grid e, eração distribuída, a urado sobre o fator de de energia entregue ao

importante.

entações tecnológicas ótimo e o controle de tenção do melhor fator r de pico de demanda e

o das concessionárias, a eficiência energética ANEEL, que modifica or de potência para ativos de unidades mativa nº. 414, de 9 de

m sistema IVVC, a

a planta devido a uma

nicos regulatórios; al, na medida em que

ue aos consumidores, icional;

e da energia entregue tensão e reativos, bem or violação de valores

ia;

de distribuição para s.

VAR

tacional acoplada de demais sistemas da igência distribuída, por ções, o IVVC é capaz itais dos equipamentos

do ambiente da Subestação, bancos reguladores e transform Distribuição, a exemplo dos b (Fig. 1). Estas entradas sã heurístico, que gerencia e o perfil de tensão global do sist destes ativos, para cada períod sistema ao longo do dia.

Dessa forma, o conceito d automática e eficaz otimizar outras características do sist em tempo real, permitindo qualidade e, ainda, redução redução das perdas técnicas e energia para atender aos me também na diminuição da em

Fig. 1 – Exemplo d

IV.EVOLUÇÃO TEC

Inicialmente os sistemas V controle local, depois evoluír baseados em heurísticas e otimização e integrados concessionárias, conforme mo

Fig. 2 - Evolução dos sis

Resumidamente, cada um d características:

A. Controladores de Volt/VA

o, tais como bancos capacitores, ormadores, assim como da rede de s bancos reguladores e capacitores são aplicadas a um algoritmo otimiza o fator de potência e o istema através da operação remota íodo ou variação das condições do

de IVVC permite de maneira ar a tensão, o fator de potência e istema de distribuição de energia o uma melhoria significativa na ão na demanda. Ele proporciona s e da necessidade da aquisição de esmos clientes, o que se reflete missão de gases de efeito estufa.

de arquitetura de solução

ECNOLÓGICA DO IVVC

Volt/VAr eram baseados em uíram para sistemas centralizados e hoje contam com recursos de s aos demais sistemas das mostrado na Fig. 2.

sistemas de controle Volt/VAr

das gerações têm as seguintes

Foi a 1ª geração de sistemas: eram controladores que atuavam de forma local e não se integravam com a aplicação SCADA ou DMS da concessionária.

TABELA 1-CONTROLADORES DE VOLT/VAR ISOLADOS

Controladores de Volt/VAr isolados (não integrados) Pontos fortes Pontos fracos

Menor custo;

Não dependem de infraestrutura de comunicação.

Ausência de coordenação com outros sistemas;

Por não estarem integrados precisam trabalhar com margens maiores;

Podem não responder de forma adequada a mudanças de perfil de carga;

Podem não operar de forma correta em situações de self-healing da

rede.

B. Sistemas controlados por SCADA

Melhoram a eficiência do controle em relação à primeira geração, mas ainda tinham regras fixas, com pouca flexibilidade para atender alterações de perfis. Neste contexto, considerou-se um SCADA limitado a funções básicas de supervisão e controle,

TABELA 2–SISTEMAS CONTROLADOS POR SCADA

SISTEMAS CONTROLADOS POR SCADA Pontos fortes Pontos fracos

Pode ser retirado de operação em situações de emergência do sistema;

Pode considerar medições remotas na política de atuação;

Margens menores de segurança de operação, em relação aos Controladores de Volt/VAr isolados.

Requer uma infraestrutura de comunicação razoável;

Não se adapta as mudanças de configurações dos alimentadores, já que as regras são previamente estabelecidas;

Limitada capacidade de se adaptar a mudanças dinâmicas na operação;

Melhor eficiência em relação aos Controladores de Volt/VAr isolados, porem não trabalha no ponto ótimo em condições diversas;

Comumente as operações de VAr e Volt não são coordenadas, pois as regras para acionamento de bancos de capacitores são distintas em relação aos reguladores de tensão.

C. Otimizacao de Volt VAr baseada em DMS

São os que utilizam tecnologias mais avançadas, consideram uma modelagem mais sofisticada e se integram plenamente com sistemas DMS.

TABELA 3-OTIMIZAÇÃO DE VOLT VAR BASEADA EM DMS

Otimização de Volt VAr baseada em DMS Pontos fortes Pontos fracos Solução trabalha de

forma coordenada e em ponto ótimo;

Flexibilidade na operação permite acomodar vários cenários operacionais;

Capacidade de suportar vários arranjos de alimentadores;

Atualizações dinâmicas de configurações;

Sistema pode modelar efeitos da geração distribuída.

Alto custo de implantação, operação e manutençao;

Curva de aprendizagem mais lenta;

Produtos em fase de maturação.

IV.RESULTADOS DE PROJETO IVVC PELO MUNDO

O parâmetro que se adota para comparação é o CVRf,

Conservation Voltage Reduction factor [4,

1093-

conservation-voltage-reduction-implementation-and-assessment], porém vale destacar que o CVR tem dois enfoques distintos:

• Redução de curto prazo

No CVRf de curto prazo tem-se basicamente o objetivo de reduzir tensão nos horários de picos e para reduzir a demanda de pico

• Redução de longo prazo

No CVRf de longo prazo, a tensão e reduzida de forma permanente de forma a economizar energia.

O CVRf é dado pela seguinte expressão matemática (1)

=% ç çã

% ç çã (1)

Portanto um CVRf igual a 1 significa que para 1% de redução de tensão, corresponde uma redução de consumo de energia de 1%.

TABELA 4–REDUÇÕES DE ENERGIA OBTIDAS EM OUTROS PROJETOS

Entidade CVRf

Northeast Utilities (1987) 1

Northwest Energy 0,8

Estudo do EPRI (6 alimentadores) 0,66 a 0,92

Dominion Virginia 0,8

V.PROVADECONCEITO DE IVVC NA ENERGISA

Para avaliar os benefícios de uma solução de IVVC, a Energisa elegeu a subestação Serigy. Localizada em Aracaju (SE). Essa subestação foi escolhida para realização da Prova de Conceito de IVVC por possuir as seguintes características:

• Esta subestação foi objeto de uma Prova de

Conceito em projeto de P&D ANEEL2 _{e representa}

o estado da arte em proteção, controle e automação;

• Já possui um sistema de Volt VAr implantado na SE

que pode orientar quanto aos próximos passos para implementação na rede de distribuição.

• Possui trechos Urbanos importantes;

• Possui um número relevante de consumidores (cerca

de 20.000 clientes no conjunto elétrico);

• Possui clientes do Grupo A inseridos neste contexto; • Área de grande comércio, com maior demanda de

carga nos períodos da manhã e da tarde.

A subestação Serigy foi concebida dentro do modelo de SE inteligente e conta com quatro bancos de capacitores (BC) de 3,6 MVAr automatizados com lógica IVVC e dois transformadores de 69/13,8 kV e potência 20/25 MVA cada, com comutador de TAPs no enrolamento AT. O controle de tensão está integrado ao acionamento de estágios dos bancos capacitores, sendo disparado por violação de tensão, com priorização de comando dos estágios.

A Fig. 3 representa a carga medida em um dia útil. Percebe-se o forte aumento da carga, mais de duas vezes, ao longo do horário comercial.

2 _{Projeto 6585-1102/2011, “Desenvolvimento de metodologia}

para padronização de subestações aderente aos conceitos Smart Grid, considerando o uso do protocolo de comunicação IEC61850”.

Fig. 3 – Medição de Carga na SE Serigy

Pode-se dividir a demanda na linha em três faixas, conforme mostrado na Fig. 4.

Fig. 4 – Classificação em faixas

Fig. 5 – Compensação de Reativos na LT

Características do sistema implantado na SE Serigy:

• Utiliza comunicação bidirecional com os

controladores de banco de capacitores, que fornecem os dados de medição utilizados pelo seletor para determinar qual banco de capacitor deve operar, com base em condições de tempo real;

• Com controle centralizado, trabalha com a lógica de

controle distribuída de cada banco, para otimizar e proteger o sistema em todos os momentos;

• Trabalha com verificação constante (heartbeat) o

que garante que os controladores de capacitores irão utilizar esquemas de controle locais se os links de comunicação falharem. 0 5 10 15 20 25 30 0 0 :0 0 :0 0 0 1 :4 5 :0 0 0 3 :3 0 :0 0 0 5 :1 5 :0 0 0 7 :0 0 :0 0 0 9 :0 0 :0 0 1 1 :0 0 :0 0 1 2 :4 5 :0 0 1 4 :3 0 :0 0 1 6 :1 5 :0 0 1 8 :0 0 :0 0 1 9 :4 5 :0 0 2 1 :3 0 :0 0 2 3 :1 5 :0 0 C a rg a ( M V A )

Medição de Carga

Demanda na linha

Carga T1

Carga T2

Leve Pesada Média

Cargas(MVA) <10 >18 >=10 e <=18 Horário 0:00 - 7:00 7:01 - 18:00 18:01 - 23:59

Fator de Potência

Médio 0,98 0,99 0,99

0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1 0 0 :0 0 :0 0 0 1 :3 0 :0 0 0 3 :0 0 :0 0 0 4 :3 0 :0 0 0 6 :0 0 :0 0 0 7 :4 5 :0 0 0 9 :1 5 :0 0 1 1 :0 0 :0 0 1 2 :3 0 :0 0 1 4 :0 0 :0 0 1 5 :3 0 :0 0 1 7 :0 0 :0 0 1 8 :3 0 :0 0 2 0 :0 0 :0 0 2 1 :3 0 :0 0 2 3 :0 0 :0 0 F a to r d e P o tê n ci a

Fatores de Potência

FP LINHA

FP T1

O fator de potência global do sistema é otimizado em cada alimentador, bem como para os barramentos da subestação, equilibrando o carregamento de VAr em toda a SE, podendo operar de forma otimizada para correção de problemas de tensão ou de fator de potência nas Linhas de Transmissão, conforme pode ser visto na Fig 5.

A seguir, segue um case teórico sobre o conceito do IVVC aplicado em um sistema, otimizando inicialmente o fator de potência do circuito (controle da potência reativa) e, em seguida do nível de tensão, buscando a condição mais eficiente para operação do sistema.

Fig. 6 Case teórico sobre IVVC para um dado Conjunto Elétrico

A otimização de tensão normalmente resulta em uma redução da carga de 0,7-0,8% para, em média, cada queda de 1% de tensão, portanto uma redução compatível com outra iniciativas, conforme mostrado em IV.

Vale destacar que a redução de tensão de 121 V para 117,5 V pode economizar aproximadamente 2,3% de potência! (3,5 Volts/120 Volts) x 0,8.

VI.CONCLUSÕES E PRÓXIMOS PASSOS

Uma solução de IVVC permite a melhoria da qualidade do serviço prestado, redução de perdas, otimização dos recursos, retardo na necessidade de geração de energia adicional e consequentemente menor impacto ambiental.

Com o cenário de Smart Grid se consolidando, consumidores mais exigentes e o agente regulador requerendo melhoria contínua na qualidade de fornecimento, não parece haver dúvidas quanto a necessidade de uma solução de IVVC. O que está em discussão é a avaliação das soluções que apresentam o melhor equilíbrio sob o ponto de vista de relação custo/beneficio.

Dando continuidade ao trabalho, a Energisa investiga os seguintes aspectos:

• Avaliação do impacto da solução adotada nos sistemas

de proteção e sistemas de telecomunicações;

• Requisitos técnicos para garantir a interoperabilidade

entre a solução com os sistemas existentes e com os sistemas a serem adquiridos, garantindo que requisitos de modularidade e escalabilidade sejam atendidos;

• Investimentos necessários para cada um dos tipos de

controle de IVVC;

• Definição de uma metodologia para priorizar os

alimentadores a serem suportados pelo IVVC levando em conta perdas técnicas, energia, carga de pico, redução de carbono e impacto na receita.

• Cálculo de CVRfs de forma que os resultados obtidos

não sejam comprometidos por variações diárias e sazonais

• Impacto dos DERs na solução adotada.

VII.REFERÊNCIAS

[1] ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº602, de 2014.” Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/Modulo8_Revisa o_5.pdf>. Acesso em: 14 de abril de 2014.

[2] ANEEL - AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL RESOLUÇÃO NORMATIVA N

º

(http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/20 12/065/resultado/ren2013569.pdf)

[3] Volt/VAr Control Old Problem, New Solution, Tim Taylor

(http://electric-distribution.blogspot.com.br/2011_10_01_archive.html)

[4] IEEE “The expertise to make smart grid a reality”, 2014, Disponível em:

http://smartgrid.ieee.org/may-2014/1093-conservation-voltage-reduction-implementation-and-assessment Acesso em: 10 de março de 2015.

[5] Volt/VAr Optimization Improves Grid Efficiency, (https://www.nema.org/Policy/Energy/Smartgrid/Docume