Sistema de proteção direcional para microrredes com somente medição de corrente

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EL ´ETRICA

LEANDRO DE MARCHI PINTOS

SISTEMA DE PROTEÇ ÃO DIRECIONAL PARA MICRORREDES COM SOMENTE MEDIÇ ÃO DE

CORRENTE

Florian´opolis 2014

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SISTEMA DE PROTEÇ ÃO DIRECIONAL PARA MICRORREDES COM SOMENTE MEDIÇ ÃO DE

CORRENTE

Disserta¸c˜ao submetida ao Programa

de Pós-Gradua¸cão em Engenharia Elétrica

para a obten¸c˜ao do Grau de Mestre

em Engenharia El´etrica.

Orientadora: Prof. Jacqueline Gis`ele Rolim, Dra.Eng. – UFSC

Coorientador: Prof. Miguel Moreto, Dr.Eng. – UFSC

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Pintos, Leandro de Marchi

Sistema de Proteção Direcional para Microrredes com Somente Medição de Corrente / Leandro de Marchi Pintos ; orientadora, Jacqueline Gisèle Rolim ; coorientador, Miguel Moreto. - Florianópolis, SC, 2014.

205 p.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.

Inclui referências

1. Engenharia Elétrica. 2. Proteção de Sistemas Elétricos de Potência. 3. Proteção Direcional. 4. Proteção Direcional com medição somente de corrente. 5. Relés Direcionais de Sobrecorrente. I. Gisèle Rolim, Jacqueline. II. Moreto, Miguel. III. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. IV. Título.

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Primeiramente quero agradecer à minha fam´ılia, Luiz Alberto (Pai), Maria Isabel (Mãe) e Fabio (Irmão), por todo o apoio e incentivo dedicados a mim por todos esses anos durante todas as etapas mais importantes da minha vida. Sem a aten¸cão e dedica¸cão de vocês não teria sido poss´ıvel a realiza¸cão deste trabalho de mestrado assim como a minha gradua¸cão em Engenharia Elétrica. Quero agradecer também a Nanci Yumi por todo o carinho, dedica¸cão e companheirismo durante o per´ıodo de realiza¸cão do mestrado.

Quero estender meus agradecimentos à minha orientadora e pro-fessora Jacqueline Gisèle Rolim por ter se disponibilizado a me orien-tar neste projeto de disserta¸cão, assim como as inúmeras sugestões e contribui¸cões fornecidas. Ao Prof. Miguel Moreto, meu coorientador, por auxiliar na resolu¸cão das inúmeras dúvidas que surgiram durante este trabalho, tanto na parte de implementa¸cão e simula¸cão, quanto na parte de concep¸cão do trabalho.

Aos professores avaliadores presentes na banca de defesa de dis-serta¸cão, Prof. Ildemar Cassana Decker, Prof. Flavio Antonio Becon Lemos, Prof. Hans Helmut Zürn e à Prof. Katia Campos de Almeida pelos elogios, cr´ıticas e sugestões que contribu´ıram de forma relevante para a elabora¸cão deste trabalho.

A todos os professores do Grupo de Sistemas de Potência (GSP) da UFSC, com os quais aprendi e cujos ensinamentos levarei para a minha vida pessoal e profissional. A todos os colegas do Labspot pela convivência e amizade e todos os momentos bons que passamos juntos, em especial ao pessoal que me ajudou diretamente no desenvolvimento do mestrado: Bruno, Humberto, Edson, Antonio, João, Kauana, Fran-ciele, Edwin e Gustavo; e também aos amigos do Labplan: Paulo André, Rodolfo, Fábio, Br´ıgida, Marco Antonio, Pablo, Carlos Arturo e Deysy. Meus sincera gratidão, também, ao Leonardo, à Patr´ıcia e à An-nelise que contribu´ıram com a realiza¸cão desta disserta¸cão através dos trabalhos realizados anteriormente.

Finalmente, gostaria de agradecer ao CNPq pelo incentivo fi-nanceiro durante o desenvolvimento desta pesquisa, e ao professor Ilde-mar Decker pela participa¸cão no projeto de P&D Microger (convênio UFSC/UFRGS/FEESC/CPFL/RGE), vinculado ao Labplan, que pos-sibilitou a continua¸cão do desenvolvimento desta disserta¸cão.

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SISTEMA DE PROTEC

¸ ˜

AO DIRECIONAL PARA

MICRORREDES COM SOMENTE MEDIC

¸ ˜

AO DE

CORRENTE

Leandro de Marchi Pintos

Relés de sobrecorrente são amplamente utilizados na prote¸cão de sis-temas elétricos. Em sistemas de transmissão é comum o uso de relés direcionais em razão do fluxo de potência nas linhas e transformadores ser poss´ıvel nos dois sentidos em situa¸cões normais ou de falta. Em sis-temas de distribui¸cão, por outro lado, os relés não direcionais são mais utilizados. Quando existem fontes de gera¸cão distribu´ıda conectadas `

a rede de distribui¸cão, o sentido das correntes de falta medidas pelos relés pode possuir sentido para frente (entre relé e o equipamento pro-tegido) ou sentido reverso (entre gera¸cão e relé). Os relés direcionais de sobrecorrente tradicionais usam como referência um fasor de tensão para estimar o sentido da falta, isso requer medi¸cões de corrente e de tensão fazendo com que essa aplica¸cão em redes de distribui¸cão tenha custo mais elevado em rela¸cão aos relés não direcionais. Este trabalho propõe uma abordagem de identifica¸cão direcional de faltas com so-mente medi¸cão de corrente para coordena¸cão de relés em sistemas com topologia malhada com a presen¸ca de gera¸cão distribu´ıda. O sistema de prote¸cão proposto permite a garantia de seletividade da prote¸cão em sistemas de distribui¸cão com fluxo em ambos sentidos das linhas com a aplica¸cão de faltas trifásicas e monofásicas-terra. A metodologia de prote¸cão direcional é desenvolvida sequencialmente para um sistema teste baseado em um sistema real. Posteriormente, o desempenho e a eficiência da ferramenta de prote¸cão direcional são avaliados através da aplica¸cão a outro sistema de teste. Os resultados obtidos demonstram que a utiliza¸cão do sistema de prote¸cão direcional com somente medi¸cão de corrente em redes de distribui¸cão é viável e promissora na questão da seletividade e coordena¸cão de relés.

Palavras-chave: Prote¸cão de Sistemas Elétricos de Potência. Prote¸cão Direcional. Prote¸cão Direcional com medi¸cão somente de corrente. Relés Direcionais de Sobrecorrente.

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DIRECTIONAL PROTECTION SYSTEM FOR

MICROGRIDS WITH ONLY CURRENT

MEASUREMENTS

Leandro de Marchi Pintos

Overcurrent relays are widely used for power system protection. In transmission systems the use of directional relays is common due to the power flow in power lines and transformers be possible in both ways in normal or fault situations. In distributions systems, however, the non-directional relays are more used. When distributed genera-tion sources are connected to the distribugenera-tion network, the direcgenera-tion of the fault current measured by the relay can be forward (between the relay and the protected equipment) or in reverse direction (between generation and relay). Traditional overcurrent directional relays rely on a reference voltage phasor for estimating the direction of the fault, for that reason they require current and voltage measurements increa-sing the cost of their application with respect to non-directional relays. This work proposes an approach for identifying the direction of faults with only current measurements for relay coordination on systems with meshed topology in the presence of distributed generation. The pro-posed protection system offers the guarantee of protection selectivity in distribution systems with flow in both directions of the lines. The methodology of directional protection is developed sequentially for a test system based on a real system. Subsequently the performance and efficiency of the directional protection tool is evaluated through its ap-plication to other electrical system. Single phase and three phase faults have been simulated and the results demonstrate that the use of the directional protection system with only current measurement in distri-bution networks is feasible and a promising approach for selectivity and coordination of relays.

Keywords: Power systems protection. Directional Protection. Current-Only Directional Overcurrent Relay. Directional Overcurrent Relay

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ABNT Associa¸cão Brasileira de Normas e Técnicas ANSI American National Standards Institute BT Baixa Tensão

CA Corrente Alternada CC Corrente Cont´ınua

CERTS Consortium for Electric Reliability Technology Solutions CHP Combined Heat and Power

DFT Discrete Fourier Transform DMS Distribution Management System

FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems FED Fontes de Energia Distribu´ıda

FFT Fast Fourier Transform FS Fator de Sobrecorrente GD Gera¸c˜ao Distribu´ıda

IEC International Eletrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers INEE Instituto Nacional de Eficiˆencia El´etrica LC Load Controllers

LTC Load Tap Changer MC Microsource Controllers

MDCF M´aximo Desequil´ıbrio Percentual entre Fases MGCC MicroGrid Central Controller

MT M´edia Tens˜ao

PCC Point of Common Coupling PCH Pequena Central Hidroelétrica PMU Unidade de Medi¸cão Fasorial RED Recursos Energéticos Distribu´ıdos RMS Root Mean Square

RTC Rela¸cão de Transforma¸cão de Corrente SEP Sistemas Elétricos de Potência

TC Transformador de Corrente

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1 Introduc~ao . . . 21

1.1 Contextualiza¸c˜ao . . . 21

1.2 Objetivos e Contribui¸c˜oes da Disserta¸c˜ao . . . 23

1.3 Estrutura da Disserta¸c˜ao . . . 24

2 Gerac~ao Distribuda e Microrredes . . . 27

2.1 Introdu¸c˜ao . . . 27

2.1.1 Benef´ıcios da utiliza¸c˜ao de GD . . . 28

2.1.1.1 Benef´ıcios Locais . . . 28

2.1.1.2 Benef´ıcios Globais . . . 28

2.1.2 Desvantagens da utiliza¸c˜ao de GD . . . 29

2.2 Questões técnicas associadas à utiliza¸cão de GD . . . 29

2.2.1 Qualidade de energia el´etrica . . . 30

2.2.2 ´Indices de confiabilidade . . . 30

2.2.3 Regula¸c˜ao de Tens˜ao . . . 30

2.2.4 Correntes de Curto-circuito . . . 32

2.2.5 Estudo de redes de distribui¸c˜ao . . . 33

2.3 Tecnologias de Fontes GD . . . 34

2.4 Microrredes . . . 35

2.4.1 Hist´oria do conceito de Microrrede . . . 37

2.4.2 Topologia b´asica de uma Microrrede . . . 39

2.4.3 Modos de Opera¸c˜ao . . . 40

2.4.3.1 Modo interligado . . . 41

2.4.3.2 Modo isolado . . . 41

2.4.4 Considera¸c˜oes de Comunica¸c˜ao . . . 42

2.5 Conclus˜oes . . . 45

3 Sistemas de Distribuic~ao . . . 47

3.2 Sistema El´etrico Radial . . . 47

3.3 Sistema El´etrico em Anel . . . 48

3.4 Prote¸c˜ao de Sistemas de Distribui¸c˜ao . . . 49

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4 Protec~ao Direcional de Microrredes . . . 57

4.2 Prote¸c˜ao Direcional Convencional . . . 57

4.2.1 Princ´ıpio de funcionamento do Rel´e Direcional . . . 57

4.2.2 Polariza¸c˜ao de Rel´es Direcionais . . . 60

4.2.3 Rel´e Digital de Sobrecorrente Direcional . . . 61

4.2.4 Prote¸c˜ao com Rel´e de Sobrecorrente Direcional . . . 64

4.2.5 Rel´e Direcional de Sequˆencia Zero . . . 65

4.3 Pesquisas referentes à coordena¸cão de Relés Direcionais . . . 66

4.3.1 Fatores que influenciam o desempenho de Relés Direcionais 68 4.4 Metodologia de prote¸cão direcional com somente medi¸cão de corrente . . . 70

4.4.1 Princ´ıpio de Estima¸c˜ao Direcional . . . 71

4.4.2 Elemento direcional de neutro polarizado por corrente . . . 74

5 Estimac~ao Fasorial . . . 79

5.2 Contexto da Estima¸c˜ao Fasorial . . . 79

5.3 Transformada Discreta de Fourier . . . 80

5.3.1 Abordagem n˜ao recursiva com janela de um ciclo . . . 82

5.3.2 Abordagem n˜ao recursiva com janela deslizante . . . 83

5.3.3 Abordagem recursiva com janela deslizante . . . 84

5.3.4 Técnica não recursiva de estima¸cão direcional . . . 87

5.3.5 T´ecnica recursiva de estima¸c˜ao direcional . . . 88

5.4 Método Proposto e Lógica de Opera¸cão . . . 89

6 Resultados e Simulac~oes . . . 93

6.2 Descri¸c˜ao do programa computacional PSCAD/EMTDC . . . . 93

6.3 Resultados das T´ecnicas de Estima¸c˜ao Fasorial . . . 94

6.4 Simula¸c˜oes de faltas em PSCAD com Sistema Teste 1 . . . 99

6.4.1 Faltas Trif´asicas . . . 101

6.4.2 Faltas Monof´asicas-terra . . . 108

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6.5.2 Faltas 1φ-terra Sistema Teste 2 . . . 127

7 Conclus~oes . . . 137

7.1 Sugest˜oes para trabalhos futuros . . . 139

AP^ENDICE A -- Descric~ao dos ajustes do Sistema de Protec~ao . . . 143

AP^ENDICE B -- Analise das componentes simetricas. . . 151

AP^ENDICE C -- Blocos utilizados em PSCAD e Funci-onamento do Sistema . . . 161

AP^ENDICE D -- Dados dos Sistemas Teste . . . 185

AP^ENDICE E -- Analise dos Diagramas Fasoriais . . . 191

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1 INTRODUC ~AO

1.1 Contextualiza¸c˜ao

A inser¸cão de Gera¸cão Distribu´ıda (GD) nas redes de distri-bui¸cão de energia traz algumas vantagens para o sistema elétrico como redu¸cões de perdas, suporte de tensão, libera¸cão da capacidade de transmissão e distribui¸cão, melhoria na qualidade e na confiabilidade de fornecimento de energia do sistema. Por outro lado, a conexão de GD implica em uma redistribui¸cão do fluxo de potência, mudan¸ca nos valores de carregamento dos alimentadores e aumento das correntes de falta podendo ocasionar, também, problemas de coordena¸cão do sis-tema de prote¸cão. Além disso, ilhamentos indesejáveis podem ocorrer causando problemas de seguran¸ca e qualidade de energia [1]. Outro as-pecto importante dessa análise é o fato da redu¸cão do n´ıvel de corrente de falta quando a rede opera no modo isolado [2], isso causa problemas de seletividade e coordena¸cão dos relés de sobrecorrente.

De modo a proporcionar uma melhor integra¸cão da GD às re-des de distribui¸cão, nota-se a necessidade de mudan¸ca de paradigma no projeto e opera¸cão dessas redes. Torna-se necessária a utiliza¸cão de tecnologias de comunica¸cão e informa¸cão de modo a proporcionar uma maior controlabilidade dos dispositivos conectados à rede de dis-tribui¸cão. Para oferecer essa flexibilidade de controle e de prote¸cão dos equipamentos da rede, surge um conceito relativamente novo aplicado a sistemas de potência, as Smart Grids.

Smart Grid é um termo utilizado para definir uma rede na qual os consumidores têm participa¸cão ativa (tanto na gera¸cão de energia quanto no gerenciamento de cargas) e que também oferece aos opera-dores das redes um conjunto de novas fun¸cões de monitora¸cão e con-trole [3]. Uma smart grid deve ser autorrecuperável (retomar o forne-cimento de energia de forma rápida e sem a necessidade de atua¸cões de controles ou agentes externos) bem como ser resistente a poss´ıveis defei-tos no sistema (realizar a previsão de falhas iminentes e tomar medidas corretivas para evitar ou reduzir os problemas do sistema) [4]. Essas redes também devem encorajar e proporcionar condi¸cões para que os agentes do sistema (empresas e consumidores) realizem transa¸cões no mercado de energia de forma eficiente. Esses objetivos são alcan¸cados com a integra¸cão da infraestrutura da rede elétrica e de uma infraestru-tura de informa¸cão e comunica¸cão, provendo a “inteligência” necessária para a implementa¸cão desse novo conceito de redes de energia elétrica.

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Com o objetivo de solucionar os problemas técnicos anterior-mente citados da conexão de GD em redes de distribui¸cão, pesquisas realizadas recentemente [5] têm aplicado a ideia das Smart Grids à redes de distribui¸cão possibilitando o surgimento do conceito de Microrredes. Tal conceito vem sendo discutido como uma alternativa em potencial para solucionar os problemas causados pela utiliza¸cão de gera¸cão dis-tribu´ıda, proporcionando, assim, uma inclusão de maior qualidade de GD em redes de distribui¸cão. Uma defini¸cão geral é que a microrrede é um subsistema da rede de energia elétrica constitu´ıdo de cargas e microgera¸cões em n´ıveis de média e baixa tensão. Esse subsistema é conectado à rede da concessionária por um ponto de acoplamento co-mum (PCC – Point of Common Coupling) responsável pelos seus dois modos de opera¸cão: interligada (ou normal) e ilhada (ou isolada). A filosofia operacional de uma microrrede é que em condi¸cões normais opere no modo conectado à rede (opera¸cão interligada), mas na pre-sen¸ca de um distúrbio, situa¸cão de emergência ou em decorrência de eventos programados, seja desconectada da concessionária operando como um subsistema isolado (opera¸cão ilhada) [6], [7] e [8].

A inclusão de gera¸cão distribu´ıda em redes de distribui¸cão em opera¸cão faz com que seja necessária a realiza¸cão de uma análise deta-lhada a respeito dos efeitos causados nos sistemas de prote¸cão. Como consequência da altera¸cão das caracter´ısticas da rede, como o aumento dos n´ıveis de curto-circuito e a altera¸cão nos sentidos de fluxo de potência, torna-se necessário o redimensionamento dos sistemas de pro-te¸cão previamente instalados nessas redes. Em sistemas de prote¸cão baseados em relés de sobrecorrente, a inclusão de unidades GD pode afetar negativamente a coordena¸cão desses dispositivos levando a in-terrup¸cões indevidas de fornecimento de energia elétrica em pontos da rede originalmente não afetados pelo defeito.

Uma das alternativas para solucionar o problema de coordena¸cão dos relés de sobrecorrente nessas redes é a utiliza¸cão do elemento de prote¸cão direcional. Em sistemas de transmissão é comum o uso de relés de sobrecorrente do tipo direcional, enquanto que em sistemas de distribui¸cão e sistemas de subtransmissão radial são utilizados tipos não direcionais. A dire¸cão da falta pode ter sentido para frente (entre relé e rede), ou sentido reverso (entre relé e fonte de gera¸cão). Os relés direcionais de sobrecorrente tradicionais usam como referência um fasor de tensão (“tensão de polariza¸cão”) [9] para estimar a dire¸cão da falta, isso requer medi¸cões de corrente e de tensão fazendo com que relés direcionais sejam mais caros do que os não direcionais.

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proposta de relé direcional denominado como relé direcional de sobre-corrente com somente medi¸cão de corrente (Current-Only Directional Overcurrent Relay). Esse tipo de relé utiliza como grandeza polariza-dora (grandeza de referência) a medi¸cão de corrente, visto que relés dire-cionais convendire-cionais empregam como unidade polarizadora a medi¸cão de tensão. Entre algumas vantagens dessa abordagem é poss´ıvel citar o fato da redu¸cão de custos com a implementa¸cão da prote¸cão da rede com a necessidade de somente transformadores de corrente (TCs) para monitora¸cão da condi¸cão operacional do sistema. Outra novidade que se pode destacar é o fato da inser¸cão de relés direcionais em n´ıveis de tensão de distribui¸cão (2,4 a 34,5 kV [10]), visto que sua utiliza¸cão comumente é realizada em n´ıveis de tensão de transmissão (69 a 765 kV [10]).

1.2 Objetivos e Contribui¸c˜oes da Disserta¸c˜ao

Os objetivos desta disserta¸c˜ao est˜ao listados a seguir:

• Analisar os problemas da aplica¸cão de sistemas convencionais de prote¸cão em microrredes e avaliar a viabilidade do uso da prote¸cão direcional nessas redes;

• Realizar uma discussão a respeito das técnicas de estima¸cão fa-sorial com o objetivo de utilizar a mais adequada para o sistema de prote¸cão direcional proposto;

• Propor uma metodologia de deteçcão direcional de faltas com somente medi¸cão de corrente em sistemas de distribui¸cão; • Realizar simula¸cões no dom´ınio do tempo através da utiliza¸cão

dos programas computacionais MATLAB e PSCAD/EMTDC, com o objetivo de validar a metodologia proposta de identifica¸cão de direcionalidade de faltas trifásicas e monofásicas-terra.

Este trabalho apresenta algumas diferen¸cas em rela¸cão ao tra-balho elaborado pela referência [10] na questão do tipo de estima¸cão fasorial e na proposta de metodologia para analisar a direcionalidade de faltas monofásicas-terra. Aqui a estima¸cão fasorial é realizada através da técnica recursiva com janela deslizante, enquanto que no trabalho base é utilizado a técnica não recursiva com janela de dados de um ciclo. Da mesma forma, a metodologia proposta neste trabalho realiza a es-tima¸cão direcional de faltas 1φ-terra, fato que não era contemplado pelo

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trabalho anteriormente citado. No trabalho anterior também havia um sentido normal de fluxo e não era necessário combinar as informa¸cões de estado dos relés nos dois terminais da linha.

O método de estima¸cão direcional proposto aqui neste trabalho é uma boa solu¸cão para a redu¸cão de custos para implementa¸cão de sistemas de prote¸cão direcional em sistemas de distribui¸cão. É interes-sante destacar que essa metodologia ganha espa¸co somente em razão do avan¸co da tecnologia dos relés digitais, onde o tratamento dos dados dos fasores do sistema é realizado digitalmente. No passado, para fornecer o elemento de torque na decisão direcional, era necessária a intera¸cão eletromagnética entre os fluxos gerados pela corrente de opera¸cão e a tensão de polariza¸cão nos discos magnéticos dos relés eletromecânicos.

1.3 Estrutura da Disserta¸c˜ao

Os próximos sete cap´ıtulos desta disserta¸cão estão organizados conforme descrito abaixo.

O Cap´ıtulo 2 trata da realiza¸cão de uma revisão detalhada dos conceitos de gera¸cão distribu´ıda e de microrredes. Entre os assuntos abordados inicialmente estão a discussão acerca do conceito de GD, os benef´ıcios, as desvantagens e questões técnicas relacionadas a sua uti-liza¸cão. Os modelos existentes, os modos de opera¸cão e considera¸cões acerca da comunica¸cão entre os equipamentos do sistema são questões abordadas na descri¸cão do conceito de microrredes.

O Cap´ıtulo 3 apresenta as configura¸cões t´ıpicas de sistemas de distribui¸cão e expõe alguns dos elementos utilizados na prote¸cão de so-brecorrente convencional. São discutidas, também, as formas de ajuste dos elementos de prote¸cão convencionais da mesma forma que é apre-sentada a teoria de componentes simétricas.

No Cap´ıtulo 4 é feita a apresenta¸cão da técnica convencional de prote¸cão direcional e é discutido o princ´ıpio de funcionamento do relé direcional polarizado por tensão. As formas de polariza¸cão tradicionais dos relés direcionais são revisadas e as caracter´ısticas da proposta de prote¸cão direcional com somente medi¸cão de corrente são expostas.

O Cap´ıtulo 5 é dedicado ao estudo da concep¸cão dos fasores de corrente que serão utilizados nos relés do sistema. Nos estudos de es-tima¸cão fasorial, apresentam-se algumas das técnicas mais comumente utilizadas e é descrita, com maior enfoque, a metodologia de estima¸cão fasorial baseada na Transformada Discreta de Fourier. Comparam-se três técnicas de estima¸cão fasorial e ao final do cap´ıtulo são discutidos

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os aspectos relevantes de cada abordagem.

O Cap´ıtulo 6 apresenta as simula¸cões e os resultados obtidos para dois sistemas teste através da aplica¸cão da metodologia de de-teçcão direcional de faltas proposta neste trabalho. Primeiramente são apresentados os resultados obtidos com a aplica¸cão de faltas trifásicas. Em seguida são realizadas simula¸cões de faltas monofásicas e é eviden-ciada a necessidade de utiliza¸cão de sinais direcionais adicionais para prote¸cão do sistema. Os resultados obtidos com as simula¸cões imple-mentadas em PSCAD/EMTDC e MATLAB são mostrados e é realizada a discussão acerca das questões de prote¸cão.

O Cap´ıtulo 7 é dedicado às conclusões e à revisão das contri-bui¸cões obtidas com a realiza¸cão desta disserta¸cão, bem como as su-gestões para trabalhos futuros.

(28)

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2 GERAC ~AO DISTRIBUIDA E MICRORREDES

2.1 Introdu¸c˜ao

Os sistemas de gera¸cão de energia convencionais estão enfren-tando problemas como a escassez gradual das fontes de combust´ıvel fósseis, baixa eficiência energética e restri¸cões ambientais. Esses pro-blemas trouxeram uma nova tendência de gera¸cão local de energia em n´ıveis de tensão de distribui¸cão através da utiliza¸cão de fontes de ener-gia renováveis não-convencionais como eólica, biogás, energia solar, fo-tovoltaica, células combust´ıveis, microturbinas, entre outras fontes [12]. Apesar de tradicionalmente os Sistemas Elétricos de Potência (SEP) terem se desenvolvido baseados em uma estrutura de gera¸cão predominantemente hierarquizada e centralizada, questões técnicas, am-bientais, sociais e econômicas levaram ao interesse pela integra¸cão de unidades de gera¸cão de energia elétrica utilizando fontes de baixa capa-cidade conectadas a n´ıveis de tensão menores [13]. Essa gera¸cão local ´

e denominada de Gera¸cão Distribu´ıda (GD) e as fontes de energia são denominadas fontes de energia distribu´ıda (FED) [8]. O termo Gera¸cão Distribu´ıda foi concebido para viabilizar a distin¸cão desse conceito de gera¸cão do tradicional conceito de gera¸cão centralizada. Vale salien-tar que as redes de distribui¸cão sem a presen¸ca de gera¸cão distribu´ıda são denominadas passivas em virtude da gera¸cão possuir sentido único de fluxo de potência: da concessionária para os consumidores conecta-dos à rede. A rede de distribui¸cão se torna ativa quando unidades de gera¸cão distribu´ıda são adicionadas à rede principal fazendo com que possa existir fluxo de potência bidirecional na rede.

A introdu¸cão de fontes de gera¸cão no lado da distribui¸cão pode impactar significativamente o fluxo de potência e a qualidade de tensão dos locais próximos à consumidores e equipamentos da concessionária [14]. Esses impactos podem se manifestar tanto positivamente quanto negativamente dependendo das caracter´ısticas de opera¸cão do sistema de distribui¸cão. Entre os principais impactos positivos, incluem-se o suporte local de tensão e melhoria na qualidade de energia, redu¸cão de perdas, al´ıvio dos alimentadores da distribui¸cão e do sistema de trans-missão, assim como o aumento da confiabilidade do sistema de distri-bui¸cão da concessionária. Os impactos relacionados aos sistemas de prote¸cão e a ocorrência de poss´ıveis ilhamentos indesejados podem ser mencionados como alguns dos pontos negativos relacionados à conexão de GD nos sistemas de distribui¸cão [15]. Alguns aspectos relacionados

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`

a questão da inser¸cão de GD no sistema elétrico são discutidos a seguir.

2.1.1 Benef´ıcios da utiliza¸c˜ao de GD

De acordo com o Instituto Nacional de Eficiência Elétrica (INEE), os benef´ıcios da utiliza¸cão de GD podem ser divididos em benef´ıcios locais, decorrentes da usual proximidade do local de consumo, e be-nef´ıcios econômicos e ambientais, os quais possuem uma esfera maior de abrangência. Tais benef´ıcios são listados a seguir [16].

2.1.1.1 Benef´ıcios Locais

• Atendimento mais rápido ao crescimento da demanda em razão do tempo de implementa¸cão de uma unidade GD ser inferior ao de implementa¸cão de novos investimentos em gera¸cão centralizada e refor¸cos das respectivas redes de transmissão e distribui¸cão; • Aumento da confiabilidade do suprimento de energia elétrica aos

consumidores conectados próximos à gera¸cão local em razão da GD não estar sujeita a falhas na transmissão e distribui¸cão; • Melhoria da estabilidade do sistema elétrico pela existência de

reservas de gera¸c˜ao distribu´ıdas;

• Redu¸cão dos riscos de planejamento, das perdas de transmissão e dos respectivos custos com investimentos para refor¸car o sistema de transmissão;

• Para os produtores independentes há ainda o aumento da eficiência energética, a redu¸cão dos custos de produ¸cão e a inser¸cão dos ex-cedentes gerados no mercado de energia a pre¸co competitivo.

2.1.1.2 Benef´ıcios Globais

• Redu¸cão dos impactos ambientais de gera¸cão através do uso de combust´ıveis menos poluentes, melhor utiliza¸cão dos combust´ıveis tradicionais e, em plantas de cogera¸cão, aumento da eficiência energética do processo de gera¸cão;

• Maior eficiência energética obtida pela utiliza¸cão de gera¸cão dis-tribu´ıda e centralizada;

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• Maiores oportunidades de comercializa¸cão e de a¸cão da concor-rência em mercados de energia elétrica, visto que mais agentes estão envolvidos no processo.

2.1.2 Desvantagens da utiliza¸c˜ao de GD

Apesar da existência de diversos benef´ıcios com a utiliza¸cão de gera¸cão distribu´ıda, algumas desvantagens de sua aplica¸cão também devem ser citadas.

• Maior complexidade no planejamento e na opera¸c˜ao do sistema el´etrico, inclusive na garantia da energia fornecida por GDs de reserva [16];

• A diminui¸cão do fator de utiliza¸cão das instala¸cões das conces-sionárias de distribui¸cão pode causar um aumento do pre¸co médio de fornecimento aos consumidores que não são abastecidos pela gera¸cão distribu´ıda;

• Para o produtor independente, a interliga¸cão à rede acarreta em uma redu¸cão da autonomia em virtude de não poder mais agir visando apenas a maximiza¸cão do seu próprio benef´ıcio. Isso ocorre pois existem casos em que o benef´ıcio global dos usuários pode ser prejudicado pelos interesses individuais dos produtores. Existe ainda a dificuldade da ausência de padrões e diretrizes como guia para questões de opera¸cão, seguran¸ca e prote¸cão das fontes GD. A inexistência de dados de qualidade de energia, assim como a escassez de normas e protocolos para integra¸cão de microfontes e sua participa¸cão em mercados desregulados de energia [8], são questões que ainda demandam maiores esfor¸cos para serem resolvidas no âmbito da inser¸cão de GD nos sistemas elétricos.

2.2 Questões técnicas associadas à utiliza¸cão de GD

Nesta se¸cão são apresentadas algumas questões técnicas relevan-tes quanto à utiliza¸cão de GD em grande escala, como a manuten¸cão da qualidade de energia elétrica fornecida, ´ındices de confiabilidade, regula¸cão de tensão da rede, correntes de curto-circuito, impactos nos sistemas de prote¸cão e mudan¸cas relativas à metodologia de análise das redes de distribui¸cão.

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2.2.1 Qualidade de energia el´etrica

Um ponto positivo da utiliza¸cão de unidades de GD para a continuidade do suprimento de energia elétrica aos consumidores é a possibilidade de, desde que autorizada pela concessionária, a unidade de gera¸cão distribu´ıda continuar fornecendo energia para um determi-nado grupo de consumidores, mediante a forma¸cão de pequenas ilhas elétricas, mesmo após algum defeito na rede [3]. Por outro lado, em virtude das caracter´ısticas de grande parte das fontes de GD (por exem-plo, a falta de controle sobre as fontes primárias nos casos de unidades eólicas ou fotovoltaicas), podem surgir altera¸cões nas formas de onda de tensão. Nesse contexto, os problemas mais comumente detectados são: Varia¸cões de tensão (flickers e flutua¸cões de tensão) associadas `

as partidas de GD, afundamentos de tensão e harmônicos de tensão e corrente [14].

2.2.2 ´Indices de confiabilidade

A inser¸cão de GD em redes de distribui¸cão operadas no modo passivo pode causar, também, um impacto negativo nos ´ındices de con-fiabilidade do sistema. Tal impacto está relacionado às questões relaci-onadas a atua¸cões indevidas dos dispositivos de prote¸cão [17].

Para melhorar os ´ındices de confiabilidade do sistema é necessário que o número e a dura¸cão das interrup¸cões de fornecimento de energia aos consumidores seja reduzido. Nesse caso em espec´ıfico, o uso de unidades de GD em grande escala, conectadas aos alimentadores do sistema de distribui¸cão, pode reduzir a quantidade e o intervalo de tempo das interrup¸cões, mantendo a continuidade do suprimento de energia mesmo após a ocorrência de defeitos na rede.

2.2.3 Regula¸c˜ao de Tens˜ao

Os n´ıveis de tens˜ao em um sistema devem ser mantidos pr´oximos `

a tensão nominal para garantir a qualidade de energia entregue ao con-sumidor. Entretanto, flutua¸cões de tensão ocorrem e podem compro-meter o bom funcionamento do sistema [15]. Essas flutua¸cões são ge-ralmente de maior intensidade nos finais de linha e são mais acentuadas caso haja uma concentra¸cão maior de carga na extremidade [18].

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apropria-dos e, também, a realiza¸cão de uma opera¸cão coordenada através do despacho da GD gerando mais quanto maior for o aumento da carga (localmente), faz com que exista um suporte para diminui¸cão das flu-tua¸cões de tensão. Entretanto, existem casos em que esta coordena¸cão não é poss´ıvel (ou não desejável), como por exemplo quando a gera¸cão varia de acordo com o pre¸co da energia no mercado [18]. Nesses casos, podem ocorrer momentos em que a presen¸ca de GD afete negativa-mente o perfil de tensão da rede quando é realizada uma compara¸cão com o sistema operando com a ausência de gera¸cão distribu´ıda. Como exemplo é poss´ıvel citar um per´ıodo de carga leve com alta produ¸cão de GD [18]. Quando a rede opera com um baixo n´ıvel de carregamento e as unidades de GD estão operando perto de sua capacidade nominal (como ocorre em parques eólicos com grande oferta de vento durante a noite [19]), os limites permitidos para a inje¸cão de potência pelas uni-dades de GD na rede de distribui¸cão são bastante restritos e o excesso de gera¸cão é exportado para o sistema de transmissão [3]. Entretanto, se esses limites de inje¸cão de potência não forem respeitados haverá uma eleva¸cão das tensões na rede.

A principal causa da eleva¸cão de tensão provocada pela inje¸cão de potência pelas unidades de GD é a baixa rela¸cão X/R em redes de distribui¸cão. A magnitude das tensões nas barras é altamente de-pendente das inje¸cões de potência ativa na rede. Dessa forma, para valores elevados de inje¸cão de potência ativa pelas unidades de GD, as tensões nas barras do sistema passam a ser bastante elevadas o que pode acarretar sérios problemas para a opera¸cão [20].

Adicionalmente, as práticas de regula¸cão de tensão em sistemas radiais consideram o fluxo de potência unidirecional partindo da su-besta¸cão para a carga. A poss´ıvel mudan¸ca no sentido do fluxo nas linhas pode fazer com que a inser¸cão de GD, a jusante de um sis-tema de compensa¸cão pré-existente na rede, cause efeito contrário ao desejável quando a produ¸cão da GD pode levar a uma determina¸cão incorreta da tensão no final da linha e, consequentemente, uma com-pensa¸cão errônea [14]. Esse problema ocorre pois a GD reduz a carga observada e confunde o controle do regulador de tensão na defini¸cão da compensa¸cão, isso faz com que um n´ıvel mais baixo de tensão seja ajustado quando comparado ao necessário para manter n´ıveis de servi¸co adequados no final do alimentador.

O mesmo impacto é observado quando da inser¸cão de unidades de GD em redes de distribui¸cão com a opera¸cão indevida de transfor-madores equipados com ajuste automático de tap, os Load Tap Changer (LTC) [14]. Caso a unidade GD seja instalada a jusante de um LTC que

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está usando uma considerável compensa¸cão, o controle da regula¸cão es-tará incapaz de medir corretamente a demanda do alimentador pois, com a GD, a tensão no alimentador permanece abaixo do n´ıvel quando o sistema opera sem a presen¸ca de gera¸cão distribu´ıda. Isso ocorre em virtude de que, como citado anteriormente, o perfil de tensão do ali-mentador é reduzido em virtude da GD reduzir a carga observada pelo controle do compensador do LTC fazendo com que a regula¸cão ocorra de maneira errônea. Também há o problema de redes com mais de um compensador instalado. Nesses casos pode ocorrer uma “competi¸cão” entre os LTCs e as unidades de GD causando oscila¸cões de tensão e desgaste prematuro dos contatos dos LTCs.

2.2.4 Correntes de Curto-circuito

Em redes radiais de distribui¸cão de baixa (BT) e média tensão (MT), as correntes de curto-circuito tendem a ser limitadas pelas im-pedâncias dos transformadores e outros elementos a montante. Dessa forma, as redes de distribui¸cão costumam ser dimensionadas para ope-rar próximo a seus limites de forma que, mesmo que seja pequena a contribui¸cão das GDs às correntes de curto-circuito, o n´ıvel de corrente atingido durante a falta pode ser suficiente para ultrapassar os limites de projeto da rede [21].

Para o uso de unidades de GD baseadas em máquinas s´ıncronas conectadas diretamente à rede, as estratégias de prote¸cão referentes às correntes de curto-circuito utilizadas em redes convencionais continuam válidas [21]. Entretanto, a contribui¸cão às correntes de falta de uni-dades de GD conectadas à rede por meio de dispositivos de eletrônica de potência é mais complexa de ser analisada, uma vez que seu com-portamento durante transitórios da rede depende intrinsecamente das estruturas de controle desses dispositivos.

Para alguns geradores interfaceados por inversores, a contribui¸cão para a falta pode durar menos de um ciclo, mas em outros casos pode durar um tempo maior. Para geradores s´ıncronos, a contribui¸cão de corrente depende da tensão pré-falta, das reatâncias transitórias e sub-transitórias da máquina e também das caracter´ısticas do sistema de excita¸cão [14]. Geradores de indu¸cão também podem contribuir para os n´ıveis de falta desde que permane¸cam excitados por qualquer tensão residual do alimentador e, para a maioria dos geradores de indu¸cão, as correntes de falta significativas duram poucos ciclos (2 a 5 ciclos). Ape-sar de poucos ciclos significar um curto per´ıodo de tempo, este intervalo adicional já é suficiente para impactar negativamente a coordena¸cão dos

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elementos de prote¸c˜ao do sistema.

Outro ponto a ser destacado é o fato de que a contribui¸cão de uma única unidade GD não aumenta significativamente as correntes de curto-circuito do sistema no qual está inserida. No entanto, caso existam muitas unidades GD de pequeno porte, ou poucas de grande porte, os n´ıveis de curto-circuito podem ser alterados o suficiente para causar descoordena¸cão com os equipamentos de prote¸cão, como relés e fus´ıveis [14], levando a interrup¸cões indevidas de fornecimento de energia em pontos da rede originalmente não afetados pelo defeito [13]. A conexão de geradores no sistema de distribui¸cão causa al-tera¸cões no fluxo de potência que podem influenciar a capacidade de interrup¸cão dos equipamentos de disjun¸cão, a filosofia de prote¸cão, as-sim como o ajuste e coordena¸cão da prote¸cão da rede elétrica. Um aumento da corrente de curto-circuito na rede faz com que novos ajus-tes nos equipamentos sejam necessários e, em alguns casos, a presen¸ca de novos dispositivos de prote¸cão seja indispensável, como é o caso da inser¸cão de relés direcionais.

Em virtude das fontes de GD serem tipicamente conectadas à rede através de dispositivos interfaceados por eletrônica de potência, qualquer distúrbio no sistema pode afetar a opera¸cão dessa interface e as suas respectivas prote¸cões internas podem atuar em um instante de tempo muito inferior ao tempo de abertura dos disjuntores con-vencionais. Esse fato é um problema pois a coordena¸cão do sistema de prote¸cão fica comprometida, assim como ocorre a perda da seletividade e das zonas de prote¸cão de equipamentos como relés de sobrecorrente. Pesquisas realizadas na área de eletrônica de potência [22] apon-tam para uma poss´ıvel solu¸cão para essas dificuldades. Com a utiliza¸cão de dispositivos de prote¸cão de estado sólido, a rápida velocidade de in-terrup¸cão desses equipamentos pode substituir os disjuntores conven-cionais garantindo coordena¸cão e seletividade para os equipamentos de prote¸cão. Do mesmo modo, esses equipamentos fornecem uma alter-nativa para resolver o problema de queda de tensão em sistemas de distribui¸cão em baixa tensão durante perturba¸cões. Por outro lado, com os comandos de trip realizados mais rapidamente, a coordena¸cão do sistema deve ser refeita considerando os novos tempos de atua¸cão. 2.2.5 Estudo de redes de distribui¸cão

Um fato que merece mais destaque nas pesquisas relacionadas `

as redes de distribui¸cão diz respeito às mudan¸cas necessárias nas me-todologias de análise dessas redes [3]. Os programas computacionais

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existentes utilizados para o cálculo do fluxo de potência, análise de curto-circuito, análise de estabilidade transitória, etc., também devem ser revistos. Alguns fatores que contribuem para essa necessidade de revisão das ferramentas computacionais utilizadas para análise de sis-temas de distribui¸cão são:

• Fluxos de potˆencia bidirecionais;

• Baixa rela¸cão X/R tornando inválidas algumas hipóteses simpli-ficadoras utilizadas na análise de sistemas de transmissão; • Análise de redes trifásicas equilibradas balanceadas ou não, ou até

mesmo setores da rede de distribui¸c˜ao que operam com apenas uma ou duas fases;

• Para estudos de estabilidade transitória, os elevados valores de resistência das linhas ocasionam uma série de implica¸cões práticas que necessitam de estudos mais aprofundados [23].

2.3 Tecnologias de Fontes GD

Nesta se¸cão são apresentadas algumas das principais tecnologias existentes de fontes geradoras utilizadas em GD. Maiores detalhes po-dem ser encontrados em [8]. As principais fontes GD estão listadas abaixo [24]:

• Turbinas Eólicas: A utiliza¸cão do vento para gera¸cão de energia elétrica se tornou muito popular devido à diminui¸cão dos custos e `

a melhoria na confiabilidade e no desempenho dos equipamentos. Outra vantagem é o fato de ser uma fonte de energia renovável capaz de substituir o uso de combust´ıveis fósseis para a gera¸cão de energia elétrica. A faixa de potência nominal dos geradores eólicos está entre o intervalo de 100 kW – 2 MW;

• Células fotovoltaicas: Alternativa energética bastante promissora visto a sua matéria-prima, o sol, ser inesgotável. Apesar de atu-almente serem de capacidade inferior (potências entre 5 e 100W) aos sistemas de gera¸cão eólica, esse tipo de gera¸cão é passivo (não necessita de outros dispositivos mecânicos ou elétricos para gerar energia) e oferece maior flexibilidade de opera¸cão. Sua conexão com a rede elétrica depende obrigatoriamente do uso de conver-sores baseados em eletrônica de potência;

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• Gera¸cão hidroelétrica de pequeno porte: Gera¸cão de energia re-novável já presente em muitos locais onde existe a possibilidade de aproveitamento hidroelétrico. Uma das principais vantagens da utiliza¸cão de Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCHs) é da gera¸cão distribu´ıda e descentralizada, fornecendo maior confiabi-lidade para o sistema elétrico da região onde está conectada. As centrais hidroelétricas de pequeno porte podem ser microgera¸cões de capacidade instalada menor ou igual a 100 kW, minigera¸cões com centrais geradoras de 101 kW até 1 MW de capacidade insta-lada e pequenas gera¸cões com potência instalada entre 1,1 e 30,0 MW [25];

• Microturbinas: São utilizadas como unidades geradoras em siste-mas de GD e, também, como produtores de energia em sistemas de cogera¸cão Combined Heat and Power (CHP). De constru¸cão simples e com capacidade de gera¸cão que vai até algumas uni-dades de MW (faixa de potência de 25 kW – 1 MW), esse tipo de gera¸cão utiliza diversos tipos de combust´ıvel para gera¸cão de energia elétrica, tais como: gás natural, GLP/Propano, diesel, biogás, etc;

• Células a combust´ıveis: Possuem a vantagem de ser altamente eficientes e pouco poluentes, porém, o custo ainda é bastante alto. São geralmente utilizadas em sistemas combinados (CHP) e geralmente possuem faixa de potência entre 100 kW e 2 MW; • Turbina a gás: As novas tecnologias de turbinas a gás estão

tor-nando esses equipamentos economicamente viáveis quando com-parados aos custos de amplia¸cão ou recondicionamento de redes de distribui¸cão e transmissão. Entre as vantagens da utiliza¸cão de turbinas a gás para a gera¸cão de energia elétrica como GD, pode-se citar a produ¸cão de elevada potência útil com rela¸cão ao tamanho e peso e a possibilidade de ser trazida a plena carga em um tempo bastante reduzido, medido em minutos, enquanto uni-dades térmicas a vapor podem levar horas. As caracter´ısticas da turbina a gás a tornam adequada para prover capacidade de supri-mento no pico ou em situa¸cões de alta demanda ou de emergência.

2.4 Microrredes

Conforme mencionado no Cap´ıtulo 1, as redes de distribui¸cão estão passando por um processo de altera¸cão da filosofia de projeto e

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opera¸cão, evoluindo da visão de rede passiva adotada tradicionalmente para um conceito de rede ativa [8]. Nessas situa¸cões, as redes de dis-tribui¸cão deixam de apresentar fluxos de potência unidirecionais para apresentar fluxos bidirecionais advindos da participa¸cão coordenada de unidades GD nessas redes.

O conceito de Microrredes vem sendo discutido desde o in´ıcio do ano 2000 como uma poss´ıvel alternativa para solucionar os problemas causados pela utiliza¸cão em grande escala de Gera¸cão Distribu´ıda, dessa forma proporcionando uma maior inclusão dessas unidades de gera¸cão nas redes de distribui¸cão [6]. De acordo com o IEEE [26], as Microrredes são sistemas de potência que possuem as seguintes caracter´ısticas:

• Possuem gera¸c˜ao distribu´ıda e cargas;

• Existe a habilidade de se desconectar do sistema principal e operar em paralelo;

• Incluem o sistema de potˆencia local e podem incluir por¸c˜oes de ´

areas do sistema de principal; • S˜ao intencionais e planejadas.

Além da gera¸cão distribu´ıda, outro componente de grande im-portância no funcionamento de uma microrrede é o dispositivo de ar-mazenamento de energia. Esses dispositivos atuam como uma reserva acionada para equilibrar a gera¸cão e carga auxiliando no controle da qualidade de energia da Microrrede permitindo que as unidades de GD forne¸cam energia constante e estável mesmo com flutua¸cões de carga. Também existe o aux´ılio quando ocorrem varia¸cões de energia primária, como nas fontes de gera¸cão dependentes de vento ou sol, fornecendo suporte de gera¸cão. Na ocorrência de distúrbios, esses dispositivos ga-rantem o fornecimento de energia até que os geradores reserva estejam prontos para assumir a carga [27].

Alguns dos mais populares dispositivos de armazenamento de energia, para entrega instantânea quando for necessário, são os volantes de inércia (flywheels), baterias e os supercapacitores [13]. Os flywheels estão sendo considerados uma boa alternativa para suportar cargas cr´ıticas durante interrup¸cões de fornecimento no sistema elétrico em virtude de apresentarem uma resposta mais rápida que os dispositivos de armazenamento eletroqu´ımicos [27].

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2.4.1 Hist´oria do conceito de Microrrede

O conceito de Microrrede come¸cou a ser desenvolvido original-mente nos Estados Unidos no ano de 2002 pelo Departamento de Ener-gia através do projeto intitulado CERTS (Consortium for Electric Re-liability Technology Solutions) [6, 28]. A grande meta do CERTS re-presenta a integra¸cão de grande número de Recursos Energéticos Dis-tribu´ıdos (RED), e não somente a instala¸cão de GD nas redes de dis-tribui¸cão. Assim sendo, procura-se superar a pol´ıtica de integra¸cão de unidades de gera¸cão distribu´ıda fundamentadas no conceito fit and for-get (instala¸cões de unidades GD sem maiores cuidados com poss´ıveis problemas causados pelas GD), o qual é válido apenas quando é con-siderada a integra¸cão de pequenas quantidades de gera¸cão distribu´ıda. Dessa forma, torna-se poss´ıvel a aplica¸cão do conceito de microrredes com um grande número de RED e de forma coordenada [6, 28].

A n´ıvel de União Europeia, o projeto “MICROGRIDS – Large scale integration of microgeneration to low voltage grids” financiado pelo Fifth Framework Programme (1998-2002), marcou a primeira ten-tativa de um desenvolvimento aprofundado nesta área [13]. Da mesma maneira que o projeto CERTS, esse projeto se baseia fundamentalmente em uma rede de baixa tensão incluindo unidades de microgera¸cão, dis-positivos de armazenamento de energia e sistema de controle para as fontes e para as cargas [29].

´

E importante salientar que os dispositivos de armazenamento de energia são de extrema importância para o funcionamento das micror-redes, uma vez que essas redes possuem inércias muito baixas ou até mesmo nulas. Nessas situa¸cões de inércia reduzida, os dispositivos de armazenamento de energia atuam como uma “inércia virtual”, sendo que esse fato é vital principalmente para o comportamento dinâmico do sistema [8]. O projeto MICROGRIDS considera uma estrutura de controle hierárquica que possibilita a otimiza¸cão da opera¸cão da mi-crorrede a partir da a¸cão de um controlador central, fornecendo, dessa forma, uma integra¸cão entre as unidades de GD da microrrede e o sis-tema de distribui¸cão a montante [15]. O controle da microrrede é exe-cutado de forma hierárquica com o propósito de otimizar a opera¸cão do sistema em geral. Para isso são utilizados controladores locais de microgera¸cão (Microsource Controllers – MC) e carga (Load Control-lers – LC), um controlador central da microrrede (MicroGrid Central Controller – MGCC) e um gerenciador do sistema de distribui¸cão (Dis-tribution Management System – DMS).

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impor-tante da estrutura base da microrrede e encontram-se organizados em n´ıveis hier´arquicos [29]:

• Controladores de fontes e de cargas (MC e LC) controlam as mi-crofontes e as cargas controláveis (agrupadas ou individualmente) existentes na microrrede. São ainda responsáveis por fazer a in-terliga¸cão com o n´ıvel hierárquico superior, quando necessário; • As fun¸cões do controlador principal da microrrede (MGCC) vão

desde a monitora¸cão dos fluxos de potência até à gestão técnica e econômica, incluindo a otimiza¸cão do funcionamento da micror-rede. O controle é exercido através do envio de sinais para os MC e LC. Quando necessário, fazem também a interliga¸cão com o DMS;

• O sistema de gestão da distribui¸cão (DMS) é encontrado em um n´ıvel superior na hierarquia, estando interligado com mais do que um MGCC. Algumas novas fun¸cões necessitam ser integradas no DMS para que haja correta atua¸cão em rela¸cão às particulari-dades das microrredes, assim como o intercâmbio de informa¸cão com os MGCC e a possibilidade de as microrredes operarem au-tonomamente.

Ambos os tipos de microrredes referidos anteriormente são basea-dos em redes de baixa tensão (BT) e incluem unidades de microgera¸cão, dispositivos de armazenamento de energia e sistemas de controle desti-nados à produ¸cão e às cargas controláveis [29]. Apesar das semelhan¸cas, existem algumas diferen¸cas relevantes. Por exemplo, enquanto a Mi-crorrede CERTS admite valores de até 500 kW [6] para as capacidades individuais máximas das microfontes que a integram a Microrrede do projeto MICROGRIDS considera, em geral, valores menores (até 30 kW [30]). Adicionalmente, o conceito de Microrrede CERTS permite que novas microfontes sejam instaladas no sistema sem haver a necessi-dade de reconfigura¸cão dos equipamentos pré-existentes, sejam eles de produ¸cão ou de supervisão e controle (conceito de Plug and Play) [6]. Pelo contrário, a Microrrede do projeto MICROGRIDS necessita, para um controle eficaz de muitas das suas microfontes, que o MGCC seja informado (atualizado) sobre as caracter´ısticas das novas unidades de modo a manter o funcionamento adequado da Microrrede [13].

Outra caracter´ıstica fundamental de uma microrrede é a uti-liza¸cão da carga como um recurso de controle de acordo com as ne-cessidades do sistema [6]. Isso significa que, além da possibilidade de controle das microgera¸cões, as cargas também podem ser gerenciadas

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de tal forma que os agentes que compõem a microrrede e o operador do sistema de distribui¸cão tenham benef´ıcios. É importante destacar, no entanto, que nem todas as cargas conectadas à microrrede precisam ser gerenciáveis. O conceito de Gerenciamento da Demanda é, então, de fundamental importância para a opera¸cão desse tipo de sistema [3]. Existem ainda trabalhos recentes que elevam um pouco mais os n´ıveis de capacidade das fontes utilizadas em Microrredes, como em [31], onde as potências das GDs estão entre 10 e 50 MW. O plano de desenvolvimento do Departamento de Energia dos Estados Unidos [32], estabelece para o ano de 2020 algumas metas de desempenho de mi-crorredes com capacidade de até 10 MW, como a diminui¸cão de custos, aumento da confiabilidade e da eficiência energética e a redu¸cão de emissões para avan¸car nos objetivos de moderniza¸cão da rede: desen-volvimento de sistemas baseados em microrredes em escala comercial capazes de reduzir o tempo de interrup¸cão de fornecimento às cargas em até 98%, redu¸cão das emissões em mais 20% e melhoria da eficiência energética do sistema para mais de 20%.

2.4.2 Topologia b´asica de uma Microrrede

Nesta se¸cão são apresentados alguns detalhes referentes à arqui-tetura básica de uma microrrede de acordo com o projeto MICRO-GRIDS. A Figura 2.1 representa a estrutura t´ıpica de uma microrrede baseada no conceito do projeto MICROGRIDS [13]. Nesse sistema a rede principal é interligada com a microrrede através de um trans-formador MT – BT. Esse ponto de conexão com a rede principal é denominado de ponto de acoplamento comum, em inglês fica Point of Common Coupling (PCC). É nesse ponto que deve ser instalado o equipamento de prote¸cão responsável pelas manobras de ilhamento e ressincroniza¸cão da microrrede com a rede principal.

Na microrrede mostrada na Figura 2.1 é poss´ıvel visualizar a presen¸ca de diversos tipos de microfontes representando a variedade de op¸cões de fontes que existem para a concep¸cão desse tipo de sis-tema. E poss´ıvel observar, tamb´´ em, a presen¸ca dos dispositivos de armazenamento de energia e dos dispositivos de controle em n´ıvel local (Microsource Controller (MC) e Load Controller (LC)) e central (Mi-crogrid Central Controller (MGCC) e Distribution Management System (DMS)). Uma análise mais detalhada desta figura permite identificar os seguintes elementos:

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alimentam as cargas, muitas delas control´aveis;

• Várias microfontes (células fotovoltaicas, microturbina, CHP e células combust´ıvel);

• Dispositivos de armazenamento de energia el´etrica, como baterias de acumuladores e volantes de in´ercia (flywheels);

• Elementos de controle e monitora¸cão associados às cargas e mi-crofontes (identificados com as siglas MC, LC e MGCC), interli-gados através de um sistema de comunica¸cão de modo a permitir a coordena¸cão da sua opera¸cão.

BT MT CA CC Microturbina Célula Combustível Bateria Flywheel PV

DMS

_CHP CA CC CA CC CA CC MC MC MC MC MC MC LC LC LC LC CA CC PCC

MGCS

Figura 2.1 – Arquitetura usual de uma microrrede com base no conceito do projeto MICROGRIDS [13].

2.4.3 Modos de Opera¸c˜ao

A possibilidade de opera¸cão tanto em modo interligado (também conhecido como modo normal) quanto em modo isolado (ou modo de emergência) [6,29] é a grande diferen¸ca entre a utiliza¸cão de microrredes e a simples integra¸cão de unidades de gera¸cão distribu´ıda em BT. A descri¸cão de cada modo de opera¸cão, obedecendo a filosofia de controle hierárquica proposta no projeto MICROGRIDS, é apresentada a seguir.

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2.4.3.1 Modo interligado

O modo de opera¸cão interligado ocorre quando a microrrede está conectada à rede principal através do PCC. Neste modo de opera¸cão, a microrrede pode se encontrar importando ou exportando energia de acordo com o balan¸co energético interno entre gera¸cão e carga e, também, das condi¸cões contratuais em rela¸cão ao operador do sistema de distribui¸cão [13].

Nesse modo de opera¸cão o MGCC é responsável pela otimiza¸cão da opera¸cão da microrrede através do envio de dados de despacho para os MC e também para os LC (DSM). De acordo com os estudos re-alizados pelo projeto MICROGRIDS, a periodicidade de envio de in-forma¸cões entre MGCC e LC e MC é da ordem dos minutos e pode incluir valores pré-ajustados de tensão ou potência, assim como car-gas para serem desligadas, por exemplo. Com o objetivo de otimizar a opera¸cão da microrrede, o MGCC incorpora módulos de previsão a curto prazo para cargas e produ¸cão, despacho econômico, análise de seguran¸ca e DSM [30].

2.4.3.2 Modo isolado

No modo de opera¸cão isolado a microrrede se encontra desco-nectada da rede principal. Essa desconexão pode ser previamente pla-nejada ou provocada por um defeito na rede principal (concep¸cão de ilhas elétricas a partir da atua¸cão dos dispositivos de prote¸cão [3]). Caso ocorram ilhamentos não planejados e, dependendo da gravidade da perturba¸cão, a microrrede pode possuir a capacidade de continuar operando mesmo após o isolamento da rede principal. Entretanto, a opera¸cão isolada depende das caracter´ısticas dos controladores locais e do MGCC, bem como da condi¸cão operacional da rede antes da con-tingência [13].

A transi¸cão do modo interligado para o modo isolado de opera¸cão deve ser assegurada pela a¸cão instantânea dos controladores locais das fontes e cargas (MC e LC). Somente depois dos controladores locais recuperarem a condi¸cão de equil´ıbrio de potências no interior da mi-crorrede é que o MGCC irá se encarregar de otimizar a opera¸cão em modo isolado, caso isso seja poss´ıvel [29]. Caso a capacidade instalada de gera¸cão seja insuficiente para suprir a demanda, deve-se proceder ao corte de cargas em uma a¸cão conjunta entre os LCs e o MGCC [29].

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de operar no modo isolado), a microrrede ainda assim pode ser útil e conseguir explorar a possibilidade de efetuar a recomposi¸cão de servi¸co internamente, de modo autônomo, sem esperar que a rede principal seja recuperada primeiro [13]. Isto permite que os consumidores da microrrede sejam beneficiados com a redu¸cão dos tempos de recom-posi¸cão, melhores ´ındices de confiabilidade e qualidade de suprimento de energia elétrica.

2.4.4 Considera¸c˜oes de Comunica¸c˜ao

As microrredes oferecem uma melhoria na questão da comu-nica¸cão existente entre os equipamentos de prote¸cão do sistema elétrico. Entre outros aspectos, o avan¸co na troca de informa¸cões ocorre devido `

a capacidade e à infraestrutura de comunica¸cão que as microrredes possuem, proporcionando, assim, uma evolu¸cão no desempenho das decisões de prote¸cão.

As microrredes necessitam de um meio de comunica¸cão entre os dispositivos de prote¸cão para que sua opera¸cão ocorra adequada-mente [33]. Ao invés de fornecer autonomia para cada relé efetuar o trip dos disjuntores individualmente (envio do sinal de abertura ao dis-juntor), a lógica de prote¸cão de uma microrrede pode ser realizada em um centro de controle através da aquisi¸cão de dados da opera¸cão de cada dispositivo do sistema, de tal maneira que uma área mais am-pla de monitora¸cão seja envolvida. Dessa forma, aplica-se um controle centralizado aos dispositivos de prote¸cão do sistema para, em seguida, realizar a identifica¸cão e localiza¸cão de faltas com o consequente envio dos comandos de trip aos disjuntores.

Os esquemas de prote¸cão utilizados em linhas de transmissão e alimentadores de distribui¸cão podem realizar a prote¸cão de componen-tes individuais, como acontece com a prote¸cão diferencial, e de tre-chos do sistema elétrico que necessitam de dados de vários dispositivos para realizar a seletividade de prote¸cão, como ocorre com a prote¸cão de distância e prote¸cão de sobrecorrente [33]. Nessa última metodologia de prote¸cão, a decisão dos relés é tomada somente com base nas medi¸cões locais, ou seja, as decisões de trip dos disjuntores são individuais de cada equipamento, ao contrário da prote¸cão diferencial onde medi¸cões são realizadas em vários pontos do sistema para determina¸cão da de-cisão de um único relé [34]. O desenvolvimento na área de microrredes em sistemas de distribui¸cão expande o conceito de sistemas de prote¸cão ao incluir a comunica¸cão entre os relés de ambas as extremidades de um

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determinada linha. Portanto, cada relé de sobrecorrente em uma ex-tremidade da linha deve receber os dados da outra exex-tremidade através de canais dedicados de comunica¸cão.

Com base nesta discussão, as decisões de prote¸cão da rede são enviadas para centros de controle situados nas duas extremidades de cada linha do sistema, com cada centro de controle sendo suprido com informa¸cões de vários pontos de medi¸cão e comunicando qualquer de-cisão resultante aos relés do sistema. Esse método pode ser expandido para fornecer informa¸cões a um centro de decisões global incluindo da-dos enviada-dos a partir de linhas adjacentes, linhas paralelas e também de outros locais da rede [33].

O aumento do número de possibilidades da utiliza¸cão de relés de prote¸cão em microrredes proporcionam algumas oportunidades assim como alguns problemas. A desvantagem a esse respeito é a disponibi-lidade de canais de comunica¸cão e o recebimento de dados a partir de diferentes pontos da rede. As redes inteligentes estabelecem uma sofis-ticada infraestrutura de comunica¸cão que pode servir os usuários em diferentes n´ıveis de aplica¸cão além da possibilidade de ser otimamente utilizada para melhorar o desempenho dos sistemas de prote¸cão. Em outras palavras, maiores investimentos em sistemas de prote¸cão para microrredes deverão ser realizados no futuro, isso exigirá sistemas de co-munica¸cão de banda larga a fim de atingir a velocidade de comunica¸cão ´

otima entre os dispositivos de prote¸c˜ao.

A comunica¸cão entre os dispositivos de prote¸cão de uma micror-rede é de extrema importância para a correta opera¸cão do sistema. Dessa forma, são necessários canais de comunica¸cão confiáveis para tal opera¸cão que pode ser realizada através de conexões hard wire, con-dutores carrier, por sistema de microondas, cabos ethernet ou fibras ´

oticas [35]. Os meios de comunica¸cão utilizados para transmissão de sinais de prote¸cão podem ser resumidos como descrito abaixo [34]:

• Conexões hard wire: Um sistema de comunica¸cão de prote¸cão no qual um circuito metálico auxiliar é utilizado como o mecanismo de comunica¸cão entre os relés nos terminais das linhas;

• Condutores Carrier: Forma de conexão entre relés em que um sinal de comunica¸cão é sobreposto aos condutores do sistema de transmissão [36];

• Sistema de microondas: O mecanismo de comunica¸cão entre relés é realizado pela transmissão de sinais de rádio microondas. O canal de comunica¸cão do relé é multiplexado com outros canais para a transmissão de voz ou dados [37];

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• Cabos Ethernet: Cabeamento de rede da comunica¸cão entre dis-positivos da prote¸cão, geralmente utilizado entre os equipamentos internos à subesta¸cões e outras instala¸cões elétricas [38–40]; • Fibras Óticas: O mecanismo de comunica¸cão entre relés utiliza

uma forma de pulso digital de luz em fibra óptica para transmissão de dados entre relés [40, 41].

Existem ainda trabalhos que utilizam redes de comunica¸cão wire-less para realiza¸cão de prote¸cão diferencial, como citado em [42]. Adici-onalmente, com o desenvolvimento da tecnologia das redes inteligentes, os canais de comunica¸cão já existentes entre os componentes de uma microrrede podem ser utilizados para comunica¸cão dos dispositivos de prote¸cão como relés de sobrecorrente.

A informa¸cão atual (instantânea) em um terminal da linha tem de ser transmitida para o relé instalado no outro lado da linha em vir-tude da necessidade de comunica¸cão entre os dispositivos de prote¸cão. Nesta disserta¸cão os relés digitais de corrente amostram as correntes de linha, realizam a estima¸cão fasorial e, em seguida, enviam para os outros relés, através de um canal de comunica¸cão, informa¸cões como estado de disjuntores, sinais direcionais de fase e de neutro, entre outros sinais relevantes que serão discutidos posteriormente.

A opera¸cão de envio de dados, por meio dos canais de comu-nica¸cão, pode introduzir um atraso de tempo que pode ser visto como um deslocamento de fase entre as correntes amostradas para os relés instalados no in´ıcio e no terminal da linha [35]. Como resultado, os relés podem enviar entre si sinais de corrente defasados e com carac-ter´ısticas alteradas dos sinais de origem. Para evitar esses problemas, é necessário que seja realizada uma adequada sincroniza¸cão no tempo entre os fasores de corrente. Os relés digitais modernos são capazes de medir o atraso de tempo e executar a compensa¸cão durante os cálculos. Alguns métodos de sincroniza¸cão podem ser utilizados para estimar o atraso de tempo. Com a informa¸cão do atraso de tempo é poss´ıvel alinhar os dados locais com os dados de final de linha. Ao mesmo tempo, o link de comunica¸cão deve ser monitorado. Quando uma fa-lha no link de comunica¸cão é detectado, os relés devem ser chaveados automaticamente para suas configura¸cões de prote¸cão de backup.

Caso as redes inteligentes já tenham sido implementadas, o ca-nal de comunica¸cão correspondente deve ser utilizado para o envio das informa¸cões, como citado anteriormente. O esquema de prote¸cão primária utiliza relés que medem valores de corrente amostrados a 16 ou um maior número de amostras por ciclo, em seguida esses sinais são

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transmitidos através do link de comunica¸cão para o relé do outro lado da linha [43]. Para distâncias inferiores a 18 milhas (aproximadamente 29 km), a transmissão direta do sinal leva menos de 0,1 milissegundo com base na velocidade da luz, e vários microssegundos adicionais para tempo de processamento. Esse intervalo de tempo é mais do que sufi-ciente para a maioria dos sistemas de distribui¸cão e significa que não há nenhuma necessidade de se obter medi¸cões sincronizadas em ambos os lados das linhas de distribui¸cão curtas. Para as linhas com mais de 18 milhas, no entanto, uma Unidade de Medi¸cão Fasorial (PMU) [43] ou simplesmente um relógio sincronizado por satélite GPS [44] podem ser necessários para que as medi¸cões sejam sincronizadas.

2.5 Conclus˜oes

Neste cap´ıtulo foram apresentados os conceitos de Gera¸cão Dis-tribu´ıda e Microrredes. Discutiu-se os benef´ıcios, as desvantagens, as-pectos técnicos e sociais e os tipos de fontes de gera¸cão comumente utilizados para esse tipo de aplica¸cão. Da utiliza¸cão de GD em redes de distribui¸cão, podem-se citar algumas vantagens como a redu¸cão do n´ıvel de carregamento dos cabos em virtude da redistribui¸cão dos flu-xos de potência, suporte local de tensão e atendimento mais rápido da demanda, enquanto que entre as desvantagens estão os impactos causados no sistema de prote¸cão e questões relacionadas a ilhamentos indesejados. Dessa maneira, evidencia-se a necessidade de uma mu-dan¸ca no paradigma de projeto e opera¸cão de redes de distribui¸cão de energia elétrica de forma que essas assumam um comportamento ativo, possibilitando, assim, a maximiza¸cão dos benef´ıcios da GD e também proporcionando um ambiente adequado para uma participa¸cão mais ativa dos consumidores.

Apresentou-se uma visão geral do conceito de microrredes assim como questões técnicas relacionadas a sua opera¸cão. Foram descri-tas, também, as caracter´ısticas de duas abordagens sobre microrredes: O consórcio americano CERTS e o projeto europeu MICROGRIDS. Apesar da semelhan¸ca quanto às topologias dos dois projetos, existem algumas diferen¸cas quanto à capacidade das microfontes, aos elemen-tos de controle da microrrede, da necessidade ou não de reconfigura¸cão e atualiza¸cão dos equipamentos de produ¸cão ou supervisão e controle pré-existentes. Outro ponto a se destacar é a caracter´ıstica fundamen-tal de uma microrrede de utiliza¸cão da carga como um recurso, isso possibilita o gerenciamento das cargas pelo lado da demanda fazendo

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com que existam benef´ıcios tanto para os consumidores quanto para o operador do sistema de distribui¸c˜ao.

O modo de opera¸cão das microrredes também é outro ponto que merece destaque na discussão acerca da operabilidade dos equipamentos do sistema. As pesquisas relacionadas à opera¸cão isolada de microrre-des mostram que ainda não há uma garantia total da controlabilidade dos dispositivos de prote¸cão e controle envolvidos, mas é poss´ıvel no-tar a grande potencialidade existente nesta abordagem em razão dos benef´ıcios que podem trazer para o sistema elétrico, como o al´ıvio na capacidade das linhas de transmissão, controle local de tensão e aten-dimento local de cargas. Em rela¸cão à comunica¸cão entre os elementos que constituem uma microrrede, é importante evidenciar a necessidade pelo envio constante de informa¸cões entre os dispositivos do sistema. Apesar do aumento da versatilidade da rede, como a melhoria na sele-tividade e coordena¸cão do sistema de prote¸cão, o sistema de controle geral da microrrede ainda pode ser visto como uma desvantagem a respeito da necessidade de comunica¸cão entre todos os equipamentos. Entretanto, face às inúmeras vantagens da utiliza¸cão de microrredes, é poss´ıvel afirmar que o uso dessa abordagem de sistema em redes de distribui¸cão é bastante promissora.

No decorrer do desenvolvimento do trabalho são abordados t´ o-picos a respeito de sistemas de distribui¸cão convencionais e aspectos de prote¸cão tradicional. Isso é realizado com o objetivo de fazer uma re-visão das topologias convencionais e dos equipamentos utilizados em sistemas de distribui¸cão de modo a inserir, no cap´ıtulo seguinte, a temática de prote¸cão direcional de microrredes.