Gerenciamento de uma Microrrede Operando em
Modo Ilhado Utilizando Sistema Multiagente
Janaína Esmeraldo Rocha, Ruth Pastôra Saraiva Leão, Janaína Barbosa Almada, Raimundo Furtado Sampaio,
Fernando Américo Albuquerque Rodrigues Marçal
Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará, Caixa Postal 6001, Fortaleza, Ceará
Resumo Microrredes são versões modernas, em escala reduzida, do sistema centralizado de energia elétrica. Elas podem ser projetadas para operar em paralelo e ilhada da rede principal. No modo ilhado, devem ser capazes de garantir o balanço de potência gerada e demanda assegurando qualidade da energia elétrica em seu domínio. Utilizando o modelo de Sistema Multiagente, desenvolvido na plataforma JADE, foi realizado um gerenciamento distribuído para uma microrrede operando em modo ilhado. Modelada no ambiente Simulink, a microrrede é composta por painéis fotovoltaicos, um banco de baterias, uma célula a combustível e cargas monofásicas. Uma simulação integrando ambas as plataformas JADE e Simulink foi realizada para verificar o êxito do gerenciamento proposto. Palavras-chaves Microrrede, gerenciamento distribuído, ilhamento, sistema multiagente, rede inteligente.
I. INTRODUÇÃO
A energia elétrica se mostra cada vez mais imprescindível ao ser humano. Embora tão necessário, esse bem é na maioria das vezes adquirido de um único fornecedor: a empresa concessionária do sistema de distribuição de energia elétrica. A arquitetura fundamental da rede elétrica atual consiste em fluxos de energia unidirecionais, que vão desde unidades geradoras de energia, atravessam os sistemas de transmissão e distribuição para então chegar ao consumidor final.
O conceito de microrrede propõe uma mudança nesse padrão, aproximando a geração de energia do consumidor, congregando recursos de energia distribuídos e cargas elétricas que operam como uma rede única e autônoma. [1]
Fontes renováveis de energia como microturbinas eólicas, painéis fotovoltaicos e células a combustível são ideais para o uso como geração distribuída em microrredes, devido à potência nominal das mesmas e à facilidade de instalação. Com o auxílio de sistemas de armazenamento de energia, o fornecimento de energia a determinada instalação elétrica é garantido com qualidade e consciência ecológica.
A microrrede está conectada à rede principal em um ponto de conexão comum (PCC). Uma característica essencial da microrrede é a capacidade de se desligar da rede primária e continuar operando, atendendo total ou parcialmente a um conjunto de cargas – esta situação é chamada de ilhamento.
O ilhamento protege a microrrede em situações de falta ou baixa qualidade de energia elétrica na rede principal. Quando a rede estiver recuperada, poderá ser feita a reconexão entre ambas, sob condições específicas.
A detecção de ilhamento pode ser feita de maneira remota ou local, diretamente no PCC, e diversos métodos já foram propostos para garantir alta precisão e confiabilidade.
Quando a microrrede atua ilhada da rede principal, ela deve ser responsável pelo equilíbrio entre geração e consumo, mantendo frequência e tensão dentro de faixas permitidas pelas normas. Os modos de operação conectada, isolada e a transição entre eles têm suas próprias particularidades que devem ser consideradas para a operação segura do sistema elétrico e da microrrede.
Com a expansão da geração distribuída, as redes elétricas modernas exigirão um controle inteligente, rápido, confiável e flexível, melhor garantido por um gerenciamento distribuído da operação.
A tecnologia de Sistemas Multiagentes (SMA) tem emergido como uma solução compatível com as necessidades de uma rede inteligente. Esse ramo da inteligência artificial é baseado na programação orientada a agente e permite que a microrrede seja autônoma e independente da rede principal a partir de parâmetros observados e controlados localmente.
Inicialmente, este artigo abordará os conceitos de microrredes e de Sistemas Multiagentes, para em seguida apresentar a microrrede estudada e explanar as estratégias de gerenciamento desenvolvidas para garantir a sua autonomia em modo ilhado. Serão expostos o sistema multiagente elaborado para o controle distribuído e a modelagem realizada para representar a microrrede.
II. MICRORREDES
Uma microrrede é definida como um aglomerado de recursos de energia distribuídos (fontes e sistemas de armazenamento de energia) e cargas elétricas operando conjuntamente. A ideia de microrrede surge como uma alternativa para integrar geração distribuída de pequena potência com ênfase em fontes renováveis, devendo ser capaz de gerenciar o fluxo de potência e garantir qualidade de energia e equilíbrio entre geração e consumo. [3]
Suas características essenciais são: autonomia, compatibilidade, flexibilidade e conformidade.
A autonomia se destaca por sua capacidade de operar em dois modos: ligada à rede ou ilhada da mesma. A compatibilidade com a rede elétrica é essencial para a aprovação da mesma frente às concessionárias. A flexibilidade permite a inserção de novos elementos no sistema, garantindo a realização de expansões. A
conformidade garante seu funcionamento com níveis adequados de qualidade de energia elétrica.
Conectada à rede num único ponto de conexão comum (PCC), uma microrrede é vista como uma entidade única, podendo se comportar como geração ou carga, caso esteja injetando ou consumindo energia.
A topologia de uma microrrede é definida diretamente pelos elementos nela presentes. A interligação entre os recursos de energia distribuídos e as cargas elétricas deve ser feita de maneira a atender aos atributos de cada um. Embora o sistema de distribuição e suas cargas consumam essencialmente corrente alternada (CA), os recursos de energia propostas para microrrede fornecem em sua maioria corrente contínua (CC). Painéis fotovoltaicos, baterias e células a combustível possuem saída CC, havendo necessidade da utilização de conversores CC-CA para adaptá-los ao padrão de fornecimento usual.
A topologia de uma microrrede permite diferentes configurações: existem microrredes com barramento principal CC, CA ou ainda com dois barramentos, CC e CA. [2]
O fluxo de energia no PCC define dois modos de operação da microrrede. Em situação mais corrente, a microrrede está conectada à rede elétrica, podendo importar a energia que falta para alimentar suas unidades consumidoras ou exportar seus excedentes de geração.
Na ocorrência de distúrbio elétrico na rede principal, falta elétrica a montante do PCC, é crucial que a microrrede se desconecte da rede principal, passando a funcionar ilhada. Pela sua condição de geradora de energia, a microrrede pode acidentalmente alimentar o defeito ou outras unidades consumidoras caso permaneça conectada, danificando aparelhos e causando acidentes aos profissionais de manutenção ou prejudicando os níveis de qualidade de energia. [4]
Os dois modos de operação são claramente identificados: conectada (importando ou exportando energia) e isolada da rede. Mesmo havendo uma conexão elétrica entre microrrede e rede elétrica, mediante a condição em que os recursos de energia distribuídos forem capazes de alimentar as cargas da microrrede, não haverá energia fluindo pelo PCC. Tal estado é denominado “istmo”. [5]
Durante o modo ilhado, a microrrede é responsável por gerenciar suas unidades geradoras e consumidoras e deve garantir o equilíbrio entre produção e consumo de energia elétrica. Além disso, sem a presença da rede, ela deve fornecer a si mesma uma referência de tensão para certificar a qualidade do sinal.
A transição do modo conectado para a ilha é feita após a ocorrência de situações anormais na rede, a partir de estratégias de detecção de ilhamento e da consequente abertura da chave existente no PCC, ou ainda propositalmente por um operador.
A transição no sentido contrário é feita sob as seguintes circunstâncias: a rede elétrica deve estar recuperada da falta, a tensão nos terminais da chave deve ser mínima, a frequência de operação da microrrede deve ser levemente inferior à frequência da rede e a tensão da microrrede deve estar atrasada em relação à tensão da rede. As condições
ideais são: mesma magnitude de tensão, mesmo ângulo de fase da tensão e mesma frequência. Sem atender a essas exigências, o fechamento direto da chave pode implicar em perigosos distúrbios transitórios. [6]
Historicamente, como abordado em [7], a detecção de ilhamento é feita nos terminais de conexão de geração distribuída. A norma determina que, na ocorrência de um ilhamento em uma rede de distribuição, a unidade geradora deve detectá-lo e se desconectar da rede em 2s. A intenção é impedir que o trecho ilhado seja energizado por uma fonte de energia elétrica que não foi projetada para tal, e sim para operar em paralelo com a rede.
Com a crescente inserção de geração distribuída no sistema, o desligamento da fonte isolada torna-se um desperdício de recursos. A capacidade de geração pode ser utilizada para a alimentação contínua de cargas críticas. [8]
No âmbito de uma microrrede, a detecção de ilhamento deve ser realizada para desconectar todo o arranjo e de maneira alguma as unidades geradoras. A ilha não é percebida como origem de problemas e sim como uma tática de proteção para assegurar o fornecimento de energia às suas cargas.
III. SISTEMAS MULTIAGENTES
Os Sistemas Multiagentes propõem a fragmentação de um problema complexo em um conjunto de pequenos problemas. Baseando-se em inteligência artificial distribuída, as pequenas tarefas são repartidas entre várias entidades computacionais. Tais entidades, denominadas agentes, são independentes e capazes de comunicar entre si para a realização de suas tarefas, formando juntas um sistema distribuído.
Em sistemas elétricos de potência tradicionais, o gerenciamento da rede elétrica é feito de forma centralizada, da mesma forma que o forcimento de energia. Entretanto, com a crescente inserção de geração distribuída, o cenário vem se transformando. Emergindo como uma tecnologia competitiva em áreas da Engenharia Elétrica como modelagem e simulação, monitoramento e diagnóstico, proteção e controle distribuído, os Sistemas Multiagentes (SMA) possuem uma natureza condizente com as exigências da nova rede elétrica inteligente.
A vantagem dessa tecnologia desponta quando a aplicação possui pelo menos uma das seguintes características: interação entre entidades distintas, interação entre um grande número de entidades, informações obtidas localmente suficientes para a tomada de decisão e necessidade de inclusão ou aprimoramento de funcionalidades ao longo do tempo. [9]
Um agente é definido como uma entidade computacional existente em determinado meio capaz de reagir autonomamente às mudanças deste meio. O meio é estabelecido por tudo aquilo que é externo ao agente, e parte desse meio deve ser observável e/ou alterável pelo agente. A separação entre agente e meio permite a inserção de agentes em diferentes meios que admitam as tarefas realizadas por eles.
O agente inteligente surge como um conceito estendido, definido a partir de três propriedades fundamentais: reatividade, pró-atividade e sociabilidade. Um sistema multiagente compreende um ou mais agentes inteligentes em um determinado meio. Cada agente possui suas metas e tarefas individuais que procura atingir e realizar. O trabalho coletivo permite que o SMA funcione com êxito, embora não haja um objetivo principal.
A Foundation for Intelligent Physical Agentes (FIPA) é uma associação de elaboração de normas técnicas voltadas a tecnologias de SMA, reconhecida pelo Institue of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). A FIPA elaborou a linguagem de comunicação FIPA-ACL (FIPA Agent Communication Language), cujas mensagens representam ações ou atos de comunicação. [10]
As plataformas existentes para o desenvolvimento de SMA são inúmeras, e a plataforma Java Agent Development Environment (JADE) se destaca por atender ao padrão FIPA, ser open-source e estar bem difundida na comunidade científica. [11]
A metodologia de criação de um SMA é dividida em seis etapas principais por [9]: estudo da estrutura e do funcionamento do sistema, decomposição em tarefas, criação da ontologia, identificação dos tipos de agentes, modelagem da interação entre os agentes e definição do comportamento dos agentes.
No que tange aos agentes sugeridos na literatura, a partir de [12]-[15], três funções são identificadas:
Agentes de controle: observam e controlam diretamente unidades físicas do sistema;
Agentes administrativos: administram a microrrede e tomam decisões a partir da sua situação;
Agentes auxiliares: realizam serviços auxiliares, tarefas de comunicação e armazenamento de dados.
IV. MICRORREDE PICI
A microrrede estudada no presente trabalho está sendo desenvolvida pelo Grupo de Redes Elétricas Inteligentes (GREI) da Universidade Federal do Ceará, no campus do Pici, e foi inicialmente proposta em [2].
FV CaC Bateria
~
~ = ~ = ~ = PCCFig. 1. Configuração da microrrede Pici.
Apelidada microrrede Pici, a mesma está conectada à rede elétrica principal por um transformador isolador 1:1 e um transformador abaixador 13800:380/220, possui padrão monofásico e um barramento principal CA.
A Fig. 1 ilustra a topologia interna da microrrede. Os recursos de energia são conectados através de conversores CC-CA, e consistem em um conjunto de módulos fotovoltaicos (FV) de potência 1960 Wp, uma célula a combustível (CaC) de 1200 W e um banco de baterias projetado para atender a uma carga de 1500 W por até 3 horas. As cargas são monofásicas e podem ser repartidas em críticas e comuns.
V. GERENCIAMENTO DA MICRORREDE PICI
No modo ilhado, o gerenciamento da microrrede se concentra em garantir o equilíbrio entre geração e consumo de energia. A partir da produção da fontes intermitentes, identifica-se se a potência é suficiente para alimentar as cargas. Caso não seja, pede-se auxílio primeiro ao banco de baterias e em seguida à célula a combustível.
Sem a conexão com a rede, quem fornece a referência de tensão à microrrede é o banco de baterias. Portanto, para garantir um melhor fornecimento de energia no modo ilhado, as baterias são usadas para alimentar a carga apenas com estado de carregamento (state of charge, SOC) superior a 80%. Havendo necessidade de mais potência, a célula a combustível entra em ação e, caso sua potência máxima ainda não seja suficiente para suprir as cargas, deverá haver corte de carga.
Se a geração das fontes intermitentes for superior à potência das cargas, a energia excedente é utilizada para carregar a bateria.
No presente estudo, a única fonte intermitente utilizada é um painel fotovoltaico, mas a lógica de gerenciamento é extensível a outro tipo de geração ou à presença de várias unidades geradoras.
A gestão de reativos é feita paralela à gestão de potência ativa: a fonte auxiliar (bateria ou célula a combustível) que estiver fornecendo a potência ativa necessária ao balanço de energia fica encarregada de suprir a energia reativa às cargas. O painel fotovoltaico não foi projetado para produzir energia reativa.
O corte de carga é realizado de acordo com a hierarquia das cargas presentes na microrrede. Quanto mais estratificadas as cargas, mais fácil de realizar o corte e seguir alimentando o máximo de cargas. O essencial é assegurar fornecimento contínuo às cargas críticas e essenciais.
VI. ESTRUTURA DO SISTEMA MULTIAGENTE
O fluxo de potência a ser gerenciado na microrrede Pici é considerado simples pois há um único barramento. A partir da catalogação das informações necessárias ao gerenciamento, verifica-se a necessidade de criação de agentes de controle para cada um dos componentes da microrrede, e também para o PCC.
A análise do balanço de potência em si deve ser feita por um agente administrativo, chamado Agente Operação.
Um agente auxiliar, denominado Agente Negociação, é responsável por negociar o montate de potência a ser fornecido para satisfazer o balanço de energia.
Cada um dos elementos da microrrede possui um respectivo agente de controle: Agente Carga para as cargas, Agente
Geração Intermitente para o conjunto de painéis
fotovoltaicos, Agente Geração Controlada para a célula a combustível e Agente Armazenamento para o banco de baterias.
Por fim, o modo de operação da microrrede é conhecido e comandado pelo Agente PCC.
Agente de Operação Agente Carga Agente Geração Intermitente Agente de Negociação Agente PCC Agente Geração Controlada Agente Armazenamento
Fig. 2. Atuação dos agentes inteligentes.
Enquanto cada um dos agentes de controle é responsável por observar e controlar seu respectivo dispositivo, é o Agente de Operação que concentra a troca de informações do gerenciamento. Ele conhece o modo de operação através do Agente PCC, e obtém os valores de potência instantâneos do Agente Geração Intermitente e do Agente Carga. Caso haja necessidade de mais potência para o balanço, ele informa o Agente de Negociação. O mesmo negociará em um primeiro momento com o Agente Armazenamento, e em seguida, se for mal sucedido, com o Agente Geração Controlada. O resultado das negociações é repassado ao Agente de Operação, que pode comandar o desligamento de cargas se necessário ou o desligamento da célula a combustível quando a mesma não estiver sendo demandada.
A comunicação realizada entre os agentes, fundamental para o sucesso do gerenciamento, é ilustrada pela Fig. 2.
VII. MODELAGEM DA MICRORREDE
A simulação da microrrede foi realizada por um diagrama de blocos na plataforma Simulink do software MATLAB R2014a, mostrada na Fig. 3. O intuito é obter o fluxo de potência no interior da microrrede e através do PCC para que o SMA possa observar e controlar devidamente cada um dos componentes. Os inversores presentes nos terminais de cada recurso de energia foram modelados conjuntamente com a unidade geradora, e cada elemento foi adaptado para ser conectado diretamente em CA.
Fig. 3. Modelagem da microrrede no Simulink.
O perfil do consumidor considerado foi de uma instalação elétrica de baixa tensão monofásica, do tipo comercial, obtida em [16]. A carga elétrica da microrrede, como visto na Fig. 4, foi modelada com característica de potência constante, contendo 800 VA de carga crítica contínua e a potência restante dividida em duas unidades de menor prioridade.
Fig. 4. Potência demandada pela carga, em kVA.
Os valores diários de radiação e temperatura foram obtidos para a data 14/09/2014 na cidade de Fortaleza pelo software Radiassol 2. A partir da modelagem utilizada em [2], foi obtida a potência gerada pelo conjunto de painéis FV, apresentada na Fig. 5.
Fig. 5. Potência gerada pelo painel FV, em W.
As unidades geradoras de energia foram modeladas por fontes de corrente controlada, injetando energia no barramento, assim como as cargas elétricas, que por outro lado consomem energia do barramento. O banco de baterias, que deve funcionar como referência de tensão no modo ilhado, foi modelado por uma fonte de tensão fixa.
VIII. INTEGRAÇÃO ENTRE MODELAGEM E INTELIGÊNCIA
A troca de informação entre a simulação da microrrede no ambiente Simulink e o sistema multiagente em JADE é fundamental, pois fornece as ferramentas de gerenciamento. Ambos existem em plataformas diferentes, e a troca de informação foi feita de maneira bidirecional por meio do protocolo de comunicação TCP/IP.
No ambiente Simulink foi desenvolvida uma função de MATLAB embutida responsável por criar um soquete em uma porta pré-definida e receber e enviar mensagens FIPA-ACL via TCP/IP, atuando como cliente. O código em linguagem MATLAB original foi obtido em [17].
No outro lado da linha, na plataforma JADE, foram criados agentes de comunicação para cada um dos agentes que obtêm medições da microrrede, em portas únicas. A comunicação pôde ser garantida em paralelo para cada um dos agentes de controle, da mesma forma que seria feita em hardware.
IX. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Uma simulação completa contém o sistema multiagente que observa e controla diretamente os componentes da microrrede no modo de operação ilhado e ambas as plataformas estão sincronizadas.
Os resultados obtidos partem do princípio de que a microrrede detectou um ilhamento e deve ser capaz de gerenciar seu fluxo de energia autonomamente. O dia foi repartido em quatro períodos para serem feitas quatro simulações. Em cada etapa foi considerado que o ilhamento acabou de acontecer e o SOC é inicializado em 100%. O intervalo de 1s de simulação é considerado como 1h de tempo real.
Simulando a microrrede para os dados do período de 6 às 12h, os resultados obtidos no fluxo de potência são mostrados na Fig. 6. Os gráficos apresentam: a potência ativa consumida pelas cargas, as potências ativas produzidas pela célula a combustível (Pcac), pela bateria (Pbat) e pelos painéis fotovoltaicos (Pfv), e, por fim, o estado de carregamento da bateria (SOC).
Fig. 6. Potências ativas e estado de carregamento obtidos para ilhamento de 6 às 12h.
Com o nascer do sol, os painéis fotovoltaicos passam a gerar cada vez mais energia, e a carga apresenta um grande crescimento ao longo das seis horas. Imediatamente após a ocorrência do ilhamento, a bateria é responsável pelo fornecimento de energia, e seu SOC permanece acima de 80% por cerca de 2h20min. Em seguida, a célula a combustível assume a potência ativa e reativa das cargas. A geração de potência ativa pela mesma chega a ser bem pequena por volta das 11h, quando o sol está a pino e os painéis produzem seu máximo, colaborando com um bom montante de energia.
Para o período de 18 às 24h, os resultados estão mostrados na Fig. 7. A potência consumida pelas cargas às 18h é alta, e inicialmente é integralmente suprida pela bateria, visto que o sol já se pôs. Deste modo, o descarregamento até o SOC de 80% ocorre em apenas 1h.
Quando a célula a combustível assume o fornecimento de energia às cargas, a demanda é superior à sua potência máxima de 1,2 kW, e o gerenciamento ordena um desligamento de carga. A célula a combustível segue alimentando as cargas restantes até que, às 21h35, a carga desligada é reconectada à microrrede, pois a potência máxima da célula é novamente suficiente para a alimentação integral.
Fig. 7. Potências ativas e estado de carregamento obtidos para ilhamento de 18 às 24h.
Nos quatro períodos analisados (0 às 6h, 6 às 12h, 12 às 18h e 18 às 24h), o SMA obteve sucesso no gerenciamento autônomo da microrrede em modo ilhado. A potência consumida pelas cargas foi suprida a partir da produção da fonte intermitente e do acionamento das fontes auxiliares. A bateria manteve sua integridade com SOC igual ou superior a 80%. A célula a combustível foi comandada para fornecer até seu limite de potência, e alertou corretamente o sistema da necessidade de desligamento de carga. O religamento de carga foi realizado quando o balanço de potência disponibilizou a energia necessária.
A Fig. 8 ilustra a troca de mensagens entre os agentes durante um processo de negociação de potência demandada. Nesta situação, após verificar com o Agente PCC o modo de operação da microrrede, o Agente de Operação pede ao Agente de Negociação que negocie a potência demandada. Uma breve conversa com o Agente Armazenamento resulta numa negociação positiva, e ele informa o sucesso ao Agente Operação.
Fig. 8. Comunicação entre agentes durante a negociação de potência.
Numa segunda situação, o Agente Armazenamento pode recusar-se a fornecer a potência e faz-se necessário uma segunda negociação, desta vez com o Agente Geração Controlada. A Fig. 9 ilustra essa situação e ainda a ocorrência do corte de carga às 19h, quando o Agente Operação conversa diretamente com o Agente Carga. Uma tentativa de religamento de carga se daria por uma conversa semelhante.
Normalmente, uma microrrede não é projetada para funcionar em modo ilhado por longos períodos de tempo, pois o ilhamento é resultado da ocorrência de faltas na rede principal. Deste modo, o presente gerenciamento apresenta resultados positivos para a microrrede considerada. O fornecimento de energia foi garantido às cargas durante longos períodos de ilhamento.
Fig. 9. Comunicação entre agentes durante um corte de carga.
X. CONCLUSÃO
As microrredes emergem como um novo modelo de suprimento de energia a clientes. Para assegurar seu
equilíbrio de energia interno, elas pedem uma estratégia de gerenciamento inteligente e eficaz. Repartindo as tarefas entre oito agentes inteligentes de um sistema multiagente, o controle de uma microrrede em modo ilhado foi realizado de maneira distribuída a partir da obtenção de telemedições, do comando de dispositivos e da comunicação entre entidades computacionais. Os agentes inteligentes foram capazes de comandar os recursos de energia de maneira a assegurar o fornecimento integral de energia às cargas. Quando necessário, um bloco de cargas foi desligado do barramento da microrrede e religado quando a potência disponível permitiu.
XI. REFERÊNCIAS
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