Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Panorama dos Sistemas Elétricos de

Potência

Objetivo da Aula

Apresentar uma visão geral dos sistemas elétricos de

potência.

Conteúdo Programático

O que são os

Sistemas Elétricos de Potência ?

Elementos Constituintes

Agentes Institucionais

Estudos comumente

realizados

Construção de Conhecimento Esperado

Conhecer de forma qualitativa os Sistemas Elétricos de

Potência (SEP).

A Energia Elétrica

 Pode-se dizer que:

– A Energia Elétrica desempenha papel fundamental na sociedade pois,

• Fator preponderante no desenvolvimento e bem estar;

• Abundância ou escassez influencia o potencial econômico das nações;

• Versátil – capaz de ser utilizada nos mais diferentes meios e para as mais diferentes

finalidades.

Visão Esquemática do SEP

Expansão Contínua

Interligação

Maior complexidade Continuidade no

Fornecimento Padrões de

Qualidade

Evolução do SEP Brasileiro

 Produção

Evolução do SEP Brasileiro

5.883 bilhões kWh 4.095

bilhões kWh

bilhões kWh568

 Produção – Comparação Mundo 2020

Evolução do SEP Brasileiro

bilhões kWh568

bilhões kWh132

bilhões kWh109

 Produção – Comparação América do Sul - 2020

Evolução do SEP Brasileiro

 Consumo

 Consumo - Comparação Mundo 2020

Evolução do SEP Brasileiro

5.564 bilhões kWh 3.902

bilhões kWh

bilhões kWh509

 Consumo - Comparação América do Sul 2020

Evolução do SEP Brasileiro

bilhões kWh509 bilhões kWh72

121

Definição de SEP

Pode-se denominar de Sistema Elétrico de Potência (SEP)

ao conjunto de infraestruturas (Equipamentos,

tecnologias, processos, normas, legislação, etc.)

responsáveis pela geração, transmissão e distribuição da

energia elétrica.

Composição do SEP

Geração:

• Converte alguma forma de energia (hidráulica, térmica, eólica, solar, etc.) em energia elétrica.

Transmissão:

• Responsável pelo transporte de energia elétrica dos Centros de Produção aos Centros de Consumo, ou até outros sistemas elétricos, interligando-os.

Distribuição:

• Distribui a energia elétrica recebida do sistema de

Composição do SEP

 Em relação aos blocos fundamentais:

– Cada bloco requer diferentes níveis de investimentos e deve atender a padrões de qualidade, de serviço e produto, específicos;

– Não é possível diferenciar relativamente a importância econômica de cada um dos blocos;

– Blocos em série → confiabilidade e desempenho qualitativo (obtenção de

melhor resultado estratégico para determinado montante financeiro alocado)

Composição do SEP

 Em relação aos blocos fundamentais:

– O sucesso da exploração econômica e confiável do SEP depende de quão

integrado e coerente é o trabalho desenvolvido na gestão dos três blocos

mencionados.

 Topologias usuais para os blocos do SEP:

– Radial

Composição do SEP

Composição do SEP

 Sistema Radial - Características gerais:

– Construção relativamente econômica;

– Baixa confiabilidade;

– Baixa complexidade para estabelecimento do sistema de proteção;

– A corrente de defeito flui sempre na mesma direção (fonte-local da falta);

– Geradores eletricamente distantes → pequena variação nas correntes de curto-circuito com mudanças nas capacidades geradoras;

– A corrente de curto-circuito diminui conforme se afasta da fonte.

 Topologias usuais para os blocos do SEP:

– Anel

Composição do SEP

Composição do SEP

 Sistema em Anel - Características gerais:

– Construção mais cara em relação ao sistema radial;

– Maior confiabilidade;

– Maior complexidade para estabelecimento do sistema de proteção;

– Maior flexibilidade para operação;

– A direção do fluxo das correntes de curto-circuito é imprevisível;

– O valor das correntes de curto-circuito varia em uma faixa muito grande

com mudanças na topologia do sistema e da capacidade de geração.

 Topologias usuais para os blocos do SEP:

– Malhado

Composição do SEP

 Sistema Malhado - Características gerais:

– Maiores valores de corrente de curto-circuito;

– Melhor distribuição do fluxo de potência;

– Maior confiabilidade → devido a redundância;

– Possibilidade de operar como microgrid (operação ilhada);

– Maior custo de implantação em relação a topologia radial e em anel;

– Maior dificuldade de operação.

Composição do SEP

Composição do SEP



O SEP Brasileiro, segundo o Operador Nacional do Sistema elétrico (ONS) é caracterizado por:

– O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidro-termo-eólico de grande porte, com predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários;

– O Sistema Interligado Nacional (SIN) é constituído por quatro subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e a maior parte da região Norte

– Propicia a transferência de energia entre subsistemas, permite a obtenção de ganhos sinérgicos e explora a diversidade entre os regimes hidrológicos das bacias → Aumento da segurança operativa.

– Apenas 1,0% da energia requerida pelo país encontra-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados

– 212 localidades isoladas no Brasil, A maior parte está na região Norte, nos estados de Rondônia, Acre, Amazonas, Roraima, Amapá e Pará. A ilha de Fernando de Noronha, em Pernambuco, e algumas localidades de Mato Grosso completam a lista. Entre as capitais, Boa Vista (RR) é a única que ainda é atendida por um sistema isolado.

Elementos Constituintes

 Matriz Energética para o SEP

– O que é?

• É o conjunto de fontes primárias de energia que podem ser aproveitadas

comercialmente para produção de energia elétrica a partir de alguma técnica de

conversão.

Elementos Constituintes

 Matriz Energética brasileira (Fevereiro de 2021 – empreendimentos em operação)

Solar 1,87%

Nuclear 1,13%

 Matriz Energética - Mundo

Elementos Constituintes

Composição do SEP

 Perfil de Consumo – 482 TWh (consumo total de energia elétrica no Brasil em 2019)

por classe

Consumo de energia

Elementos Constituintes

 Geração

– Obtém-se a energia elétrica a partir da conversão de alguma outra forma de energia, em geral, utilizando-se máquinas elétricas rotativas.

– Comumente o conjugado mecânico é obtido pelo uso de uma máquina primária (turbina, a qual pode ser hidráulica, eólica ou a vapor, por exemplo);

– Geradores com tensão terminal entre 10 a 30kV.

Elementos Constituintes

 Geração (dados de fevereiro de 2021)

– O Brasil possui no total 9.202 empreendimentos em operação , totalizando 176.495.945,16 kW de potência instalada;

– Está prevista para os próximos anos uma adição de 11.433.687,28 kW na

capacidade de geração do País, proveniente dos 254 empreendimentos

atualmente em construção e mais 699 em Empreendimentos com

Construção não iniciada com potência total outorgada igual a

27.201.119,22 kW.

Elementos Constituintes

 Empreendimentos em construção (Fevereiro de 2021)

 Empreendimentos construção não iniciada (Fevereiro de 2021)

Elementos Constituintes

 Geração Hidráulica de forma esquemática

Elementos Constituintes

 Usina Hidroelétrica – 330MW - Aimorés

Elementos Constituintes

 Geração Termelétrica de forma esquemática

Elementos Constituintes

Ciclo Combinado

Menor emissão de poluentes;

Reaproveitamento de água no processo.

 Usina Hidroelétrica – 857MW – Jorge Lacerda

Elementos Constituintes

 Usina Eólica de forma esquemática

Elementos Constituintes

 Usina Eólica – 293MW – Alto Sertão I

Elementos Constituintes

 Usina Eólica

– Evolução da geração eólica (2006 a 2020)

Elementos Constituintes

238 Gwh 2006

56.623 Gwh 2020

 Usina Solar de forma esquemática

Elementos Constituintes

Heliotérmica

Molten-Salt (60% nitrato de sódio e 40%

nitrato de potássio)

Fotovoltaica

 Usina Solar Fotovoltaica – 3MW – Cidade Azul

Elementos Constituintes

 Usina Fotovoltaica

– Evolução da geração solar (2016 a 2021)

Elementos Constituintes

Evolução da potência instalada e geração de usinas solares fotovoltaicas verificada no SIN. A potência instalada contempla apenas usinas em operação comercial.

 Ranking com os 10 maiores países

Elementos Constituintes

Transmissão

 Padronização do Valores de Tensão e frequência

– Através do decreto lei nº 73080 de 5 de novembro de 1973

• Para transmissão em corrente alternada 750; 500; 230; 138 kV;

• Para subtransmissão em corrente alternada 69; 34,5; 13,8 kV;

• Para distribuição primária de corrente alternada em redes públicas: 34,5 e 13,8 kV;

• Para distribuição secundária de corrente alternada em redes públicas: 380-220 e 220-127 volts (trifásico a quatro fios); 230/115 volts (monofásico a três fios).

• Frequência padronizada em 60Hz.

 Evolução dos valores de tensão em linhas de transmissão

Transmissão

• 1911 – 110 kV – Alemanha

• 1929 – 220 kV – Alemanha

• 1932 – 287 kV – EUA

• 1952 – 380 kV – Suécia

• 1965 – 725 kV – Canada

• 1985 – 1200 kV - URSS

Transmissão

 Características gerais

– Geralmente é feita em Corrente Alternada (CA) em estruturas aéreas, não somente no Brasil, mas no mundo todo;

– A facilidade e flexibilidade em alterar os níveis de tensão através de

transformadores constitui um dos maiores atrativos dos sistemas CAs

(juntamente com os geradores trifásicos síncronos), o que justifica sua

ampla utilização.

 Comparação entre os custos de linhas aéreas e subterrâneas*

Transmissão

Faixa de Tensão (kV) 110 a 219 220 a 362 363 a 764 Potência média transmitida

(MVA/circuito) 220 600 1800

Investimento médio linha aérea

(EUR/(km.MVA) 820 390 185

Investimento médio linha subterrânea

(EUR/(km.MVA) 6100 4900 3700

Razão subterrânea/aérea 7,4 12,5 20

 Características gerais

– Transmissão em Corrente Contínua (CC)

• Para distâncias longas, a transmissão em Corrente Contínua torna-se uma alternativa atraente. (maior distância → Maiores perdas em CA)

Transmissão

 Características gerais

– Transmissão em Corrente Contínua (CC)

• Variações de topologia - bipolo

Transmissão

 Características gerais

– Transmissão em Corrente Contínua (CC)

• Variações de topologia - monopolo

Transmissão

 Capacidade de Transmissão

– Limitada pela reatância da Linha de Transmissão

Transmissão

𝑃𝑃_{𝑘𝑘𝑘𝑘} ≅ 𝑉𝑉_𝑘𝑘 ⋅ 𝑉𝑉_𝑘𝑘

𝑥𝑥_{𝑘𝑘𝑘𝑘} ⋅ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜃𝜃_𝑘𝑘 − 𝜃𝜃_𝑘𝑘)𝑊𝑊

Para a qual: 𝑃𝑃_{𝑘𝑘𝑘𝑘}= potência ativa entre as barras 𝑘𝑘 e 𝑚𝑚; 𝑉𝑉_𝑘𝑘=tensão na barra 𝑘𝑘;

𝑉𝑉_𝑘𝑘= tensão na barra 𝑚𝑚; 𝜃𝜃_𝑘𝑘= ângulo da tensão na barra 𝑘𝑘; 𝜃𝜃_𝑘𝑘= ângulo da tensão na barra 𝑚𝑚; 𝑥𝑥𝑘𝑘𝑘𝑘= reatância série entre as barras 𝑘𝑘 e 𝑚𝑚.

 Capacidade de Transmissão

– Capacidade de transmissão x Tensão nominal

Transmissão

 Custo de Transmissão

– Considerando apenas variações no montante de potência transmitida:

Transmissão

 Custo de Transmissão

 Considerando variações no montante de potencia transmitida e distância:

Transmissão

Transmissão

Basicamente equipamentos e manutenção

Perdas Técnicas

 Custo de Transmissão

– Custos totais

Transmissão

Sistema DC

• Torres mais simples;

• Menores perdas técnicas para a mesma potência transmitida;

• Custo elevado das estações conversora-inversora

Entre 500 e 800 km para linhas aéreas;

Entre 40 e 100 km para linhas

 Custo de Transmissão

– Comparação entre sistemas AC e DC

 Sistema Interligado Nacional SIN

Transmissão

>100.000 km (rede básica)

Transmissão

>120.000 km (rede básica)

 Sistema Interligado Nacional SIN

 Sistema Interligado Nacional SIN

Transmissão

>134.000 km (rede básica)

 SIN – Evolução no comprimento das linhas da rede básica

Transmissão

230 kV 36.358,40 km

500 kV 25.956,70 km

500 kV 47.790,45 km

230 kV 57.071,32 km

Jan. 2008 a jan. 2021

SIN (2008) – 84.797,43 km

 Visão topológica

Distribuição

Distribuição

 Redes inteligentes segundo IEEE (2011):

– podem ser definidas como a integração entre o Sistema Elétrico de

Potência (SEP), redes de comunicação de dados e tecnologia da informação

com o objetivo de melhorar o funcionamento do SEP a partir do

estabelecimento de novas ações operativas.

Distribuição

 Segundo (Farhangi, 2010; Hassan e Radman, 2010; Moslehi e Kumar, 2010; NETL, 2009; Brown, 2008).

– capacidade do SEP de se recompor automaticamente, possuir elevada confiabilidade;

– segurança operacional e qualidade do produto;

– ser seguro a ataques cibernéticos;

– capacidade de gerenciar a presença de geradores distribuídos, como células combustíveis e painéis fotovoltaicos;

– capacidade de otimizar a utilização dos elementos componentes do sistema;

 Modelo Conceitual segundo o NIST ( National Institute of Standards and Technology )

Distribuição

 Detalhe da Distribuição

Distribuição

Distribuição

 Implicações para o estabelecimento das redes inteligentes:

– análise minuciosa e simultânea de diversos tópicos complexos como a

segurança cibernética, interoperabilidade entre dispositivos de automação,

controle e proteção, a confiabilidade e desempenho das soluções adotadas

(infraestrutura, algoritmos, etc.).

 Implicações - Exemplo

Distribuição

 Implicações - Exemplo

Distribuição

 Implicações - Exemplo

Distribuição

 Implicações - Exemplo

Distribuição

Modelo Vigente SEP

Modelo Vigente SEP

 CNPE : Define a política energética do país, com o objetivo de assegurar a estabilidade do suprimento energético;

 MME : Responsável pelo planejamento, gestão e desenvolvimento

da legislação do setor, bem como pela supervisão e controle da

execução das políticas direcionadas ao desenvolvimento energético

do país;

Modelo Vigente SEP

 EPE: Realiza o planejamento da expansão da geração e transmissão, a serviço do MME, e dá suporte técnico para a realização de leilões;

 CMSE: Supervisiona a continuidade e a confiabilidade do suprimento elétrico;

 ANEEL: Regula e fiscaliza a geração, transmissão, distribuição e

comercialização de eletricidade. Define as tarifas de transporte e

consumo, e assegura o equilíbrio econômico-financeiro das concessões;

Modelo Vigente SEP

 ONS: Controla a operação do Sistema Interligado Nacional (SIN) de modo a assegurar a otimização dos recursos energéticos;

 CCEE: Administra as transações do mercado de energia e realiza os

leilões oficiais.

Estudos Realizados

Tipo de Estudo Período de análise Transitório Eletromagnético Milisegundos (0,001 s) Transitório Eletromecânico 0,1 segundos

Atuação dos Reguladores de velocidade 1 a poucos segundos Atuação do Controle Automático de

Geração alguns segundos (10s), ou

até 100 segundos

Redespacho Econômico vários minutos

Planejamento da Operação do Sistema horas; 1 dia; 1 semana ou 1 mês

Planejamento da Expansão do Sistema 5; 20; 30 anos Estudos em Regime Permanente

Referências bibliográficas

 STEVENSON, William D.. Elementos de análise de sistemas de potencia. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1978. 347 p.

 MONTICELLI, Alcir Jose; GARCIA, Ariovaldo. Introdução a sistemas de energia elétrica. Campinas, SP: UNICAMP, c2003.

251 p.

 KAGAN, Nelson; Oliveira, Carlos C. B.; Robba, Ernesto J.. Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda., 2005. 328 p.

 Operador Nacional do Sistema Elétrico. http://www.ons.org.br/home/

 IEEE (2011). IEEE Guide for Smart Grid Interoperability of Energy Technology and Information Technology Operation with the Electric Power System (EPS), End-Use Applications, and Loads. IEEE Std 2030-2011 , 1 –126.

 SATO, F.; FREITAS, W.. Análise de Curto-Circuito em Princípios de Proteção em Sistemas de Energia Elétrica – Fundamentos e Prática. Rio de Janeiro: Elsevier Editora Ltda., 2015. 447p.

Referências bibliográficas

 Santos, L. F. e M. Pereira (2007). Uma Abordagem Prática do IEC 61850 para Automação, Proteção e Controle de Subestações. Anais do VII Simpósio de Automação de Sistemas Elétricos - SIMPASE, Salvador. Compahia de Energia do Estado da Bahia - COELBA e Cigré - Brasil.

 Rabelo, Ricardo de Andrade Lira (2010). Componentes de software no planejamento da operação energética de sistemas hidrotérmicos. Tese (doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos.

 ANEEL. Matriz por origem de Combustível. Disponível em:

https://app.powerbi.com/view?r=eyJrIjoiNjc4OGYyYjQtYWM2ZC00YjllLWJlYmEtYzdkNTQ1MTc1NjM2IiwidCI6IjQwZDZmO WI4LWVjYTctNDZhMi05MmQ0LWVhNGU5YzAxNzBlMSIsImMiOjR9

 IEEE (2013). Smart Grid Conceptual Model . Disponível em: http://smartgrid.ieee.org/ieee-smart-grid/smart-grid- conceptual-model .

 Farhangi, H. (2010). The path of the smart grid. Power and Energy Magazine, IEEE 8 (1), 18 –28.

Referências bibliográficas

 Hassan, R. e G. Radman (2010). Survey on smart grid. In IEEE SoutheastCon 2010 (SoutheastCon), Proceedings of the, pp.

210 –213.

 Moslehi, K. e R. Kumar (2010). A reliability perspective of the smart grid. Smart Grid, IEEE Transactions on 1 (1), 57 –64.

 NETL, N. (2009). Smart grid principal charateristics: Optimizes asset utilization and operates efficiently. Technical report, U.S. Department of Energy Office of Electricity Delivery and Energy Reliability, Pittsburgh, PA.

 Brown, R. (2008). Impact of smart grid on distribution system design. In Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE, pp. 1 –4.

 Werner Vogel, Henry Kalb. Large-Scale Solar Thermal Power: Technologies, Costs and Development. John Wiley & Sons, 2010. ISBN 9783527630004.

 SOTERIS A. KALOGIROU. Solar Energy Engineering : Processes and Systems. Amsterdam: Academic Press, 2014. v. Second edition. ISBN 9780123972705

Referências bibliográficas

 MIRANDA, J. C. ; CHEMIN NETTO, Ulisses ; COURY, D. V. ; OLESKOVICZ, M. ; GURJAO, E. C. ; BRITO, Núbia Silva Dantas ; SOUZA, B. A. . Bay control using commercial digital relays via IEC 61850. In: IEEE/PES Latin American Transmission and Distribution 2010, 2010, São Paulo.

 Associação Brasileira de Energia Eólica. Boletim de Dados – Agosto 2016. Disponível em:

http://www.portalabeeolica.org.br/images/pdf/Boletim-de-Dados-ABEEolica-Agosto-2016-Publico.pdf .

 Operador Nacional do Sistema Elétrico. Dados Relevantes Operação do SIN 2014: Evolução da Capacidade Instalada.

Disponível em: http://www.ons.org.br/download/biblioteca_virtual/publicacoes/DADOS2014_ONS/7_2.html .

 CIA. The World Factbook. https://www.cia.gov/the-world-factbook/countries/brazil/#energy .

 F. R. Islam, K. Prakash, K. A. Mamun, A. Lallu and H. R. Pota, "Aromatic Network: A Novel Structure for Power Distribution System," in IEEE Access, vol. 5, pp. 25236-25257, 2017, doi: 10.1109/ACCESS.2017.2767037.

 Empresa de Pesquisa Energética. Anuário estatístico de energia elétrica 2020. Disponível em:

Referências bibliográficas



Ameren. Distribution System. Disponível em : https://www2.ameren.com/common/DistributionSystem.aspx



WHITAKER, J. C. AC Power Systems Handbook. 3rd Ed. California: CRC Press, 2007. 402 p.



Operador Nacional do Sistema Elétrico. Boletim Mensal de Geração Solar Fotovoltaica – Jan 2021. Disponível em:http://www.ons.org.br/AcervoDigitalDocumentosEPublicacoes/Boletim%20Mensal%20de%20Gera%c3%

a7%c3%a3o%20Solar%202021-01.pdf



MAUAD, F. F., FERREIRA, L. C., TRINDADE, T. C. G., Energia Renovável no Brasil: análise das principais fontes energéticas renováveis brasileiras. São Carlos: EESC/USP, 2017. 349 p.



KIESSLING, F., NEFZGER, P., NOLASCO, J. F., KAINTZYK, U.. Overhead Power Lines - Planning, Design, Construction. New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003. 759 p.



Operador Nacional do Sistema Elétrico. O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL. Disponível em:

Referências bibliográficas

 International Energy Agency . 2018 Snapshot of Global Photovoltaic Markets - Report IEA PVPS T1-33:2018. Disponível em : http://www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/statistics/IEA-PVPS_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-_1992- 2017.pdf

 BENEDITO, R. A. S. ET77J – Sistemas de Potência 1. Notas de aula. UTFPR, 2015, Curitiba.

 BRASIL. Decreto nº 73.080, de 5 de novembro de 1973. Altera o artigo 47, do Decreto número 41.019, de 26 de fevereiro de 1957, que regulamenta os serviços de energia elétrica. Brasília, DF: Presidência da República, [1973]. Disponível em:

https://www2.camara.leg.br/legin/fed/decret/1970-1979/decreto-73080-5-novembro-1973-421533-publicacaooriginal- 1-pe.html

 TOLMASQUIM, M. T. Novo Modelo Do Setor Elétrico Brasileiro 2ª Edição, Synergia editora, 2015.

 BARRIENTOS, M. Index Mundi. Disponível em: https://www.indexmundi.com/

 Operador Nacional do Sistema Elétrico. Sistemas Isolados. Disponível em: http://www.ons.org.br/paginas/sobre-o-

Obrigado pela Atenção!

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – ucnetto@utfpr.edu.br

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