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II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 15 CONIABILIDADE CONIABILIDADE

Anais 17 a 180 no levantamento de dados, o estudo concentrou-se nas principais famílias de comutadores. Como alguns comutadores dessas famílias deveriam passar por manutenção preventiva,

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Avaliação da Confiabilidade de Comutadoressob Carga por Meio de Ensaios no Óleo Isolante

A. Bassetto Filho, Bassetto Tecnologia e Inovação Ltda, J. Mak, B&M Pesquisa e Desenvolvimento Ltda e F.Faria, Elektro

Este trabalho foi apoiado integralmente pela Elektro.A. Basssetto Filho trabalha na Bassetto Tecnologia e Inovação(e-mail: [email protected]).J. Mak trabalha na B&M Pesquisa e Desenvolvimento(e-mail: [email protected]).F. Faria trabalha na Elektro (e-mail: [email protected]).

RESUMO

Foram selecionadas famílias de comutadores sob carga insta-lados no sistema da Elektro e foram feitas análises nas amos-tras de óleo colhidas. Dentre os ensaios executados, buscou-se avaliar a concentração e o perfil de gases formados, assimcomo a quantidade de partículas. Embora na interrupção doarco sejam formadas grandes quantidades de gases acetileno ehidrogênio, buscou-se saber se outros gases poderiam ser in-dicadores de falhas incipientes. No processo de extinção doarco, também ocorre muito desgaste mecânico das partes en-volvidas, por isso julgou-se interessante estudar a quantidadee o perfil do tamanho das partículas formadas.

De acordo com os critérios atuais da Elektro, algunscomutadores deveriam passar por manutenção preventiva.Decidiu-se acompanhar essas manutenções. No total foramanalisados 16 comutadores.

Independentemente do número acumulado de operações, ve-rificou-se em todos os casos que o comutador estava em per-feitas condições de operação. Portanto, não necessitavam demanutenção preventiva nem de substituição de contatos. Des-sa forma, foi possível estabelecer valores limites confiáveispara indicar comutadores em perfeitas condições e que, por-tanto, podem ter sua manutenção preventiva adiada.

PALAVRAS-CHAVE

Comutador sob Carga – Confiabilidade - Falha – Diagnóstico

I. INTRODUÇÃO

O presente estudo iniciou-se por meio do levantamentode dados disponíveis no período entre 1969 e 1994 sobre

os problemas mais importantes associados às várias famí-lias de comutadores sob carga no sistema da Elektro. Com

base no levantamento de dados, o estudo concentrou-se

nas principais famílias de comutadores.Como alguns comutadores dessas famílias deveriam

passar por manutenção preventiva, decidiu-se acompanharessas manutenções. Antes do início das manutenções foram

colhidas amostras de óleo para análise. Dentre os ensaiosexecutados, buscou-se avaliar a concentração e o perfil de

gases formados, assim como a quantidade de partículas.

Buscou-se correlacionar os resultados dos ensaios no óleocom as inspeções visuais da parte interna dos comutadores.

Os dados obtidos foram tratados para servirem de basepara o desenvolvimento de metodologia de diagnóstico de

confiabilidade de comutadores sob carga.

II. OBJETIVOS

Este trabalho visou a estudar os potenciais problemasenvolvendo comutadores sob carga e a avaliar possibilidadese propor o emprego de novas técnicas de diagnóstico, abran-gendo ensaios de laboratório e de campo em famílias típicasde comutadores. Para tanto, foram estudados as causas e osproblemas mais importantes associados a comutadores.

Foram pesquisadas e avaliadas novas metodologias dediagnóstico, que incluem novos ensaios de óleo em amos-tras de famílias típicas de comutadores. Assim buscou-semelhorar o desempenho desses equipamentos quanto a re-dução do número de falhas, ganhos de desempenho e au-mento de eficiência em serviço.

A partir da análise dos resultados obtidos e dos pro-blemas encontrados, buscou-se estabelecer novametodologia de diagnóstico, definindo procedimentos, en-saios de laboratório e de campo, algoritmos e critérios paracaracterizar o grau da confiabilidade do equipamento.

III. ASPECTOS TEÓRICOS

Os ensaios de óleo isolante estão bem estabelecidospara certos tipos de equipamentos de alta tensão, especial-mente para os transformadores de potência. Para estes equi-pamentos, os ensaios de diagnóstico são aplicados comsucesso na determinação das condições anormais de ope-ração em razão de falhas.

As condições que levam à degradação do óleo pela dis-sipação anormal de energia são geralmente denominadas dedefeitos. Os defeitos não são necessariamente condiçõescatastróficas. Entretanto, os defeitos podem levar a falhasdo equipamento elétrico. No caso dos transformadores, con-dições deficientes podem ser determinadas pela medição deprodutos de degradação do óleo (geralmente gases) que sãoproduzidos como resultado de uma dissipação anormal deenergia dentro da unidade. A detecção dos gases permitenão apenas a identificação do processo deficiente como tam-bém um monitoramento deste processo [1-3].

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FIGURA 1. Vista dos contatos internos do comutador doTR1 da SE Andradina

Estes gases incluem o hidrogênio assim como gaseshidrocarbonetos tais como metano, etano, etileno eacetileno. É importante observar que cada um desses ga-ses tem uma energia característica necessária para sua for-mação. A descarga parcial é o processo de energia maisbaixo e normalmente produz quantidades significativasapenas de hidrogênio. Processos térmicos (pirólise) pro-duzirão metano, etano, etileno assim como hidrogênio. Oarco produzirá todos os gases de falha. É o único processodeficiente que produzirá acetileno [4].

No caso dos transformadores, qualquer produção degás de falha pode ser motivo de preocupação. Para outrostipos de equipamentos elétricos a óleo, tais comocomutadores e disjuntores, a situação é diferente. Nestesequipamentos, a energia é dissipada através do óleo durantea operação normal. Defeitos específicos não podem ser iden-tificados neste caso pela mera presença de gases específicoscomo no caso dos transformadores. Conseqüentemente, odesenvolvimento de algoritmos baseados nos gases paradeterminar a condição destes aparelhos tem sido mais com-plicado do que aquele para os transformadores. Entretanto,foram propostos alguns algoritmos para comutadores edisjuntores baseados em vários equipamentos [1-3].

Partículas no óleo podem também oferecer evidênciade problemas operacionais reais ou potenciais [1]. Sólidospodem ser gerados por processos químicos tais como adegradação extrema do óleo que pode resultar na forma-ção de borra e partículas carbonizadas. A carbonização podenormalmente ser detectada pela presença de partículas car-bonizadas no óleo. Partículas também podem ser produzi-das pelo desgaste ou envelhecimento de produtos de fabri-cação como gaxetas e contatos. Processos elétricos taiscomo o arco e aquecimento fazem surgir partículas quetêm bordas arredondadas e lisas. Portanto, o desgaste físi-co fará surgir partículas que mostram evidência da abrasãocom bordas irregulares e afiadas. O número de partículas ea distribuição das partículas pelo tamanho podem ser úteispara elucidar a condição de confiabilidade de equipamen-tos de alta tensão [5-6].

IV. METODOLOGIA PARADIAGNÓSTICO DA CONFIABILIDADEDE COMUTADORES SOB CARGA

Os comutadores dos transformadores TR1 e TR2 dasubestação Vargem Grande do Sul estavam com 82.948 e6.673 operações acumuladas desde a última manutençãopreventiva, respectivamente. De acordo com os critérios atu-ais da Elektro, os comutadores deste tipo (MR MIII – 300)devem passar pela manutenção preventiva após terem atin-gido 100.000 operações acumuladas desde a última manu-tenção, ou após seis anos desde a última manutenção, inde-pendentemente do número de operações acumuladas. Ocomutador (tipo MR MIII – 300) do transformador TR1 dasubestação Andradina estava com 123.000 operações acu-muladas desde a última manutenção preventiva.

Como esses três comutadores são do mesmo tipo e

deveriam passar por manutenção preventiva, decidiu-se

acompanhar suas manutenções. Antes do início das manu-tenções foram colhidas amostras de óleo para análise. Den-

tre os ensaios executados, buscou-se avaliar a concentra-ção e o perfil de gases formados, assim como a quantidade

de partículas.A tabela 1 mostra um resumo dos resultados obtidos

na análise de gases. Como se poderia esperar, observou-seconcentração mais elevada de gases para o comutador com

maior número de operações acumuladas, ou seja, o do TR1

da SE Andradina, com exceção dos gases oxigênio e nitro-gênio.

TABELA 1

Resumo da Análise de Gases Dissolvidos no Óleo

SE Nº de Oper. GASES (ppm)

(mar/02) H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO CO2

VGS/TR1 82948 345 110 31 403 2522 145 1420

VGS/TR2 6673 56 40 12 158 754 114 1110

AND/TR1 123000 5230 805 229 1194 2753 236 6570

A tabela 2 apresenta resumo dos resultados obtidos

na análise de partículas em suspensão no óleo. Novamen-te, constatou-se concentração mais elevada de partículas

para o comutador do TR1 da SE Andradina, com exceçãodas partículas acima de 100 mícrons.

TABELA II

Resumo da Análise de Partículas no Óleo

SE Nº de Oper. Partículas (mícron)(mar/02) 5 a 15 15 a 25 25 a 50 50 a 100 >100

VGS/TR1 82948 198670 6535 1365 60 0

VGS/TR2 6673 59725 2700 935 130 20

AND/TR1 123000 10390435 292765 45410 1690 0

Nas figuras 1 e 2 pode-se observar que os contatos docomutador do TR1 da SE Andradina estão em perfeito esta-

do de conservação, mesmo após mais de 123.000 operações.

FIGURA 1. Vista dos contatos internos do comutador doTR1 da SE Andradina

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5 - MR - MIII - 3006 – MR, MIII-300-60/D-183517 – MR, VIII - 350Y-608 – MR, VIII – 200

FIGURA 2. Vista dos contatos externos do comutadordo TR1 da SE Andradina

TABELA 3

Valor Máximo de Gases Dissolvidos no Óleo para Comutador em Boas Condições

Quantidade Máxima de Gases

Tipo Nº Oper. Qtd. GASES (ppm)

H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO CO2 N2 O2

1 11359 2 3.554 161 5 136 1.914 136 680 68.700 25.500

2 19717 1 1.830 63 2 82 1.138 205 716 75.300 12.300

3 125054 2 439 15 2 64 330 441 1.340 77.200 16.800

4 6174 1 14.996 576 16 543 6.903 527 1.330 66.400 1.700

5 123000 7 18.078 4.156 1.023 12.737 8.894 624 6.570 85.500 23.000

6 81334 1 14.786 1.804 283 3.900 16.672 772 7.000 70.900 8.600

7 16541 1 10.439 233 16 315 3.325 460 2.300 52.000 6.600

8 101658 1 10.008 639 48 1.135 9.741 579 3.160 62.100 8.000

Nota:1 - ABB, UZFRN250/3002 - ASEA, UZERN3 - ASEA, UZCRN 250/3004 - MR, VIII - 350

TABELA 4

Valor Máximo de Partículas no Óleo para Comutador emBoas Condições

QUANTIDADE MÁXIMA DE PARTÍCULASTipoNº Oper. Qtd. Partículas (mícrons)

5 a 15 15 a 25 25 a 50 50 a 100 >100

1 11359 2 2.554.375 303.605 57.380 740 50

2 19717 1 794.865 10.380 980 15 10

3 125054 2 156.275 5.415 1.105 70 15

4 6174 1 3.700.190 412.130 72.430 550 0

5 123000 7 10.390.435 466.045 108.505 4.950 700

6 81334 1 9.300.824 348.805 64.670 7.200 1.900

7 16541 1 28.065 775 330 110 205

8 101658 1 4.690 160 60 30 40

Nota:

1 - ABB, UZFRN250/300

2 - ASEA, UZERN

3 - ASEA, UZCRN 250/300

4 - MR, VIII - 350

5- MR - MIII – 300

6 - MR, MIII-300-60/D-18351

7- MR, VIII - 350Y-60

8- MR, VIII – 200

Foram analisados 16 comutadores no estudo. Inde-

pendentemente do número acumulado de operações, veri-

ficou-se em todos os casos que o comutador estava em

perfeitas condições de operação. Portanto, não necessita-

vam de manutenção preventiva nem de substituição de con-

tatos. Dessa forma, foi possível enriquecer os valores limi-

tes já propostos para indicar comutadores em perfeitas

condições.

As tabelas 3 e 4 mostram, respectivamente, o valor

máximo de gases dissolvidos e de partículas no óleo para

cada tipo de comutador estudado, considerando o maior

número de operações registradas. Isto significa que, quan-

do houve mais de um comutador do mesmo tipo sendo

estudado, um determinado valor máximo de gás ou de par-

tículas pode ter sido obtido tanto de um dos comutadores

com número menor de operações acumuladas quanto da-

quele com o maior número de operações acumuladas.

V. CONCLUSÃO

Neste projeto foi proposto o emprego de nova

metodologia de diagnóstico, abrangendo ensaios de labo-

ratório e de campo em famílias típicas de comutadores sob

carga, instaladas no sistema de potência da Elektro.

Investigou-se a condição do óleo isolante de

comutadores e correlacionaram-se os resultados encontra-

dos no óleo com a condição visual do equipamento na sua

abertura para manutenção preventiva.

Foram feitas análises de óleo nas amostras colhidas.

Dentre os ensaios executados, buscou-se avaliar a concen-

tração e o perfil de gases formados, assim como a quanti-

dade de partículas. Embora na interrupção do arco sejam

TABELA 3

Valor Máximo de Gases Dissolvidos no Óleo para Comutador em Boas Condições

Quantidade Máxima de Gases

Tipo Nº Oper. Qtd. GASES (ppm)

H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO CO2 N2 O2

1 11359 2 3.554 161 5 136 1.914 136 680 68.700 25.500

2 19717 1 1.830 63 2 82 1.138 205 716 75.300 12.300

3 125054 2 439 15 2 64 330 441 1.340 77.200 16.800

4 6174 1 14.996 576 16 543 6.903 527 1.330 66.400 1.700

5 123000 7 18.078 4.156 1.023 12.737 8.894 624 6.570 85.500 23.000

6 81334 1 14.786 1.804 283 3.900 16.672 772 7.000 70.900 8.600

7 16541 1 10.439 233 16 315 3.325 460 2.300 52.000 6.600

8 101658 1 10.008 639 48 1.135 9.741 579 3.160 62.100 8.000

Nota:1 - ABB, UZFRN250/3002 - ASEA, UZERN3 - ASEA, UZCRN 250/3004 - MR, VIII - 350

TABELA 4

Valor Máximo de Partículas no Óleo para Comutador emBoas Condições

QUANTIDADE MÁXIMA DE PARTÍCULASTipoNº Oper. Qtd. Partículas (mícrons)

5 a 15 15 a 25 25 a 50 50 a 100 >100

1 11359 2 2.554.375 303.605 57.380 740 50

2 19717 1 794.865 10.380 980 15 10

3 125054 2 156.275 5.415 1.105 70 15

4 6174 1 3.700.190 412.130 72.430 550 0

5 123000 7 10.390.435 466.045 108.505 4.950 700

6 81334 1 9.300.824 348.805 64.670 7.200 1.900

7 16541 1 28.065 775 330 110 205

8 101658 1 4.690 160 60 30 40

Nota:

1 - ABB, UZFRN250/300

2 - ASEA, UZERN

3 - ASEA, UZCRN 250/300

4 - MR, VIII - 350

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��� ���������� formadas grandes quantidades de gases acetileno e hi-

drogênio, buscou-se saber se outros gases poderiam ser

indicadores de falhas incipientes. No processo de extinção

do arco, também ocorre muito desgaste mecânico das par-

tes envolvidas, por isso julgou-se interessante estudar aquantidade e o perfil do tamanho das partículas formadas.

Foram analisados 16 comutadores. Independentemen-te do número acumulado de operações, verificou-se em

todos os casos que o comutador estava em perfeitas con-dições de operação. Portanto, não necessitavam de manu-

tenção preventiva nem de substituição de contatos. Foipossível ampliar para mais tipos de comutadores os valo-

res limites de gases e partículas no óleo que indicam

comutadores em perfeitas condições.Com base nesses valores, deve-se observar necessi-

dade ou não de intervenção de manutenção preventiva emcomutadores que, independentemente do número acumu-

lado de operações, tenham valores de gases e partículas noóleo abaixo ou próximos dos limites estabelecidos prelimi-

narmente.À medida que a metodologia desenvolvida for sendo

implementada e continuarem sendo colhidos mais dados

de comutadores do mesmo tipo e com maior número acu-mulado de operações, será possível refinar esses limites e

levantar não-conformidades.A partir da análise dos resultados obtidos e dos pro-

blemas encontrados, estabeleceu-se nova metodologia dediagnóstico, que definiu procedimentos, ensaios de labo-

ratório e de campo, algoritmos e critérios para caracterizar

um indicador do grau da confiabilidade do equipamento.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Haupert, T.J.;Hanson, D.; Leonardo, J.; Wysocki, J. “Developmentsin Diagnostics For High-Voltage Electrical Equipment”,Proceedings of the II WorkSpot, Salvador, 2001.

[2] Wysocki, J. & Price, R. “A New Protocol for Condition-BasedMaintenance of Power Transformers”, Proceedings ofTechCon2000, Mesa, AZ, 2000, pp. 117-127.

[3] Leonardo, J.; Price, R.; Wysocki, J. “Protocols for the Condition-Based Maintenance of High-Voltage Electrical Equipment”,Proceedings of TechCon 99, New Orleans, 1999, pp. 54-70.

[4] Onori, T. “Relation between contact resistance and its temperature”,Electric Engineering, Japão,1967, n.6, pp110-117.

[5] Dmitrenko, A.I. “Loadability of closed contacts of LTC for powertransformers”, tese, Universidade Técnica de Kiev,Zaporozhye,1982.

[6] Haupert, T.J.; Hanson, D.; Savio, L.; Stefanski, C. “The Applicationof New Diagnostic Protocols for the Condition-Based Assessmentof High-Voltage Electrical Equipment”, NETA Technical ConferencePapers, 1999.

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sentidas pelos consumidores. Embora o custo unitário dasobras não seja elevado, o montante de recursos aplicados

nestes sistemas anualmente pode superar o investido nossistemas de geração e transmissão, por estar distribuído

em toda a área de concessão da empresa.A resolução ANEEL 024/2000 [1] e outras resolu-

ções específicas para cada concessionária de energia elé-trica estabelecem novos limites para os índices de conti-

nuidade coletivos: DEC - Duração Equivalente de Inter-rupção por Unidade Consumidora e FEC – Freqüência

Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora; e

cria indicadores individuais: DIC - Duração de Interrup-ção por Unidade Consumidora, FIC - Freqüência de Inter-

rupção por Unidade Consumidora, e DMIC - DuraçãoMáxima de Interrupção Contínua por Unidade Consumi-

dora. Na mesma resolução, foram estipuladas as fórmulaspara cálculo das penalidades. Esta sinalização econômica

e a forte pressão por redução de custos têm despertado ointeresse das empresas em avaliar a confiabilidade espera-

da de suas redes, bem como o impacto provocado por no-

vas obras no sistema elétrico.

II. TOPOLOGIA DOS SISTEMASDE DISTRIBUIÇÃO

Os sistemas de distribuição podem apresentar três di-ferentes topologias: i) Radial; ii) Fechado em anel e iii)

Radial com recurso ou mista, como mostra a Figura 1.

(i) Sistema Radial

(ii) Sistema em Anel

(iii) Sistema Radial com Recurso

FIGURA 1 - Topologia dos Sistemas de Distribuição

Avaliação da Confiabilidade de Sistemas deDistribuição Considerando Restrições de

Transferência de CargaA.M. Cassula1, A.M. Leite da Silva1 e C.E. Sacramento2

Os autores gostariam de agradecer o apoio financeiro do CNPq e daCEMIG a este projeto de pesquisa.1 Grupo de Engenharia de Sistemas - GESis, Universidade Federal deItajubá-UNIFEI, MG, Brasil2 Depto de Planejamento do Sistema Elétrico - CEMIG, Cia Energéticade Minas Gerais, MG, Brasil

RESUMO

Este artigo apresenta uma nova metodologia para a avaliaçãopreditiva da confiabilidade de sistemas de distribuição, consi-derando restrições de transferência de carga devido às limita-ções de capacidade dos equipamentos. O algoritmo desenvol-vido baseia-se em técnicas de enumeração de estados com mo-delos Markovianos e na teoria dos conjuntos mínimos de corte.Durante a fase de implementação do algoritmo proposto emredes típicas de distribuição, deparou-se com algumas limita-ções devido principalmente à dimensionalidade dos sistemasreais. Para solucionar este problema e viabilizar a utilização doprograma, foi desenvolvido um método que decompõe o siste-ma de distribuição original em subsistemas menores, onde asavaliações são realizadas, sem que ocorra prejuízo nos resulta-dos finais em termos de precisão. Para a apresentação e descri-ção dos métodos propostos, foi utilizado o sistema teste IEEE-RBTS. Os resultados obtidos para um sistema de distribuiçãotípico da CEMIG são apresentados e discutidos.

PALAVRAS-CHAVE

Confiabilidade na Distribuição; Sistemas de Distribuição degrande porte; Restrição na transferência.

I. INTRODUÇÃO

Os sistemas de média tensão, ou seja, sistemas com

tensão igual ou inferior a 34,5 kV, sempre receberam pou-ca atenção em relação às técnicas de avaliação da

confiabilidade quando comparados aos sistemas de gera-ção e transmissão. Este interesse se deve ao fato de que as

falhas nos sistemas de geração e transmissão repercutem

de forma muito mais abrangente se comparadas às falhasnos sistemas de média tensão, cujo impacto é local. Além

disto, o custo unitário das obras nos sistemas de geração etransmissão é muito superior ao custo unitário das obras

nos sistemas de média tensão.Entretanto, os sistemas de média tensão representam

o último elo de ligação com o consumidor e a grande mai-oria das falhas ocorre nestes sistemas, sendo diretamente

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��� ���������� Os sistemas radiais possuem apenas um caminho en-

tre a fonte de alimentação e os pontos de carga, e a falha

de qualquer componente do sistema acarreta interrupçãonos pontos de carga posteriores à proteção. Os sistemas

em anel possuem mais de um caminho entre a fonte dealimentação e os pontos de carga, e a falha de um compo-

nente é automaticamente isolada pela proteção, não pro-vocando interrupção nos pontos de carga. Os sistemas ra-

diais com recurso representam uma situação intermediáriaentre as duas topologias anteriores. Apesar desta configu-

ração possuir apenas um caminho entre a fonte de alimen-

tação e os pontos de carga, é possível isolar o defeito deum componente e atender os pontos de carga remanescen-

tes por um caminho alternativo, através do fechamento dechaves normalmente abertas (NA).

Devido a diversos aspectos, tais como: custo, seguran-ça e complexidade do ajuste das proteções, a operação dos

sistemas em anel somente é utilizada em áreas urbanas degrande concentração ou em casos especiais. As topologias

radiais e radiais com recursos são as mais utilizadas no Bra-sil. Normalmente, o atendimento inicial a um determinado

conjunto de cargas é feito por um circuito radial e, confor-

me o aumento da demanda e/ou o aumento dos requisitosde qualidade da carga, este sistema evolui para um radial

com recurso. Pode-se dizer que, quanto maior a quantidadede pontos de interligação em um circuito alimentador (cha-

ves NA’s), melhores serão os índices de confiabilidade per-cebidos pelos pontos de carga i.e. consumidores.

III. SISTEMAS DE GRANDE PORTE

Durante a fase de implementação de uma rede de dis-tribuição típica no programa de confiabilidade desenvolvi-

do [12], surgiram alguns obstáculos que impediam sua apli-cação. Devido à dimensão da rede de distribuição dos sis-

temas avaliados, em muitos casos a capacidade de memó-ria computacional era insuficiente e, em outros, o tempo

de processamento muito elevado. Para solucionar este pro-blema e viabilizar a utilização do programa de

confiabilidade, foi desenvolvido um novo método que de-compõe o sistema de distribuição em vários subsistemas

menores, como será descrito a seguir.

Inicialmente, é necessário identificar os alimentadoresprincipais do sistema. No caso do sistema teste utilizado

para ilustrar, o IEEE-RBTS Barra 2 [5], mostrado na Fi-gura 4, pode-se observar claramente os quatro

alimentadores principais. Estes estão assinalados emtracejado e foram denominados de Ramais 1 a 4. Em siste-

mas complexos, esta identificação visual dos alimentadorespode não ser trivial. Um algoritmo capaz de determinar

automaticamente os alimentadores principais do sistema

foi desenvolvido. Este algoritmo consiste em verificar aconectividade entre os ramos e indicar os pontos de carga

que utilizam o mesmo alimentador para receber energia da

fonte, sem que haja a necessidade do fechamento de com-

ponentes NA’s.

O sistema utilizado possui uma topologia radial comrecurso, pois se percebe a existência de um único caminho

NF (Normalmente Fechado) que conduz energia elétricada fonte para os pontos de carga. Entretanto, o sistema é

capaz de oferecer caminhos alternativos para transmitirenergia aos consumidores interrompidos devido à falha de

algum componente. A percepção visual de todas as possi-bilidades de caminhos alternativos torna-se inviável em sis-

temas complexos.

Em condições normais de operação, os quatrosalimentadores da Figura 4 trabalham de forma independente.

Um alimentador somente sofrerá interferência de outro,no caso de existir uma contingência que seja necessário o

fechamento de chaves NA’s. Nesta situação, alguns consu-midores de um ramal serão alimentados por um outro ra-

mal. No caso do sistema da Figura 4, a falha na linha dedistribuição situada no ramo 8, atuará o disjuntor na entra-

da do Ramal 1 (ramo 1), e depois serão abertas asseccionadoras dos ramos 7 e 13. Com isso, apenas os

consumidores conectados aos pontos de carga LP-1 e LP-

2, receberão energia do alimentador original (Ramal 1).Os consumidores dos pontos de carga LP-3 e LP-4 deve-

rão esperar o reparo da linha de distribuição do ramo 8, eos demais consumidores (LP-5, LP-6 e LP-7) serão ali-

mentados pelo Ramal 2, a partir do fechamento da chaveNA que interliga os ramais 1 e 2 (ramo 500).

LP-16

LP-17

LP-21

LP-22

LP-18

LP-19

LP-20

LP-2

(3 )LP-1

(2 )

(1 )

(4 )

(64)

(48) (68)

(52)

(42)

(63) (59)

(51)

(69)

(67)

(46) (45)

(36)

(35)

(41)

(32)

(58)

(47)

(28)

(24)

(27)

(30)

(26)

(39)

(37)

(34) (33)

(23)

(14)

(19)

(13)

(20)

(21)

(17)

(16) (15)

(500) (501)

LP-4

(5 )

LP-6 (18)

LP-3

(6 )

LP-5

(12) (11)

(10) (9 )

(8 )

(7 )

(55)

11 kVR1 R4R2 R3

(53) (54)

(56)

(57)

(72)(71)

(70)

(62)

(60)

(65)

(61)LP-12

(43)

LP-11 (38)

(40)

LP-14

(50)

LP-13 (44)

LP-10

(31)

LP-15 (49)

(66)

(29) LP-9

(25) LP-8

LP-7 (22)

Ramal 1 Ramal 2 Ramal 3 Ramal 4

FIGURA 2 - Sistema de Distribuição IEEE-RBTS Barra2

A metodologia proposta consiste em separar comple-

tamente cada um dos alimentadores e, as chaves NA’s queinterligam os ramais serão substituídas por fontes alterna-

tivas conectadas através de componentes NA’s. Esta novaconfiguração pode ser visualizada na Figura 5, que repre-

senta os ramais individualizados. No caso deste exemplo,

existe apenas um caminho NA para suprir os pontos decarga, porém na prática existem inúmeras possibilidades, e

a malha de conectividade se torna complexa.

������������������� ���������������������������������� 23

FIGURA 3 - Sistema Decomposto por Alimentador

Em termos de confiabilidade, a perda ao utilizar esta

suposição restringe-se a desconsideração de alguns cortesde 2ª ordem [3,4] (superposição de falhas entre dois com-

ponentes); apenas aqueles que dependem de chaveamen-tos envolvendo chaves NA’s. Por exemplo, já se demons-

trou que ao falhar o ramo 8, os pontos de carga LP-5, LP-6 e LP-7 deverão ser alimentados pelo Ramal 2, através do

fechamento da chave NA do ramo 500. Se durante a falha

do ramo 8, ocorrer uma falha no ramo 28, estes pontos decarga não poderão ser atendidos pelo Ramal 2. Esta situa-

ção representa um corte de 2ª ordem que a metodologiaque separa os alimentadores não considera.

A influência dos cortes de 2ª ordem no resultado finaldos índices é mínima e, em muitos casos, pode ser despre-

zada [5,8,12]. Portanto, toda análise pode ser realizadaconsiderando os alimentadores separadamente. Com a uti-

lização desta metodologia, as limitações que impos-sibilitavam a aplicação do algoritmo em sistemas de gran-

de porte foram superadas. Os resultados obtidos com esta

metodologia serão apresentados e comparados com aque-les onde se considera o sistema completo.

IV. RESTRIÇÃO DETRANSFERÊNCIA DE CARGA

A falha de um componente do sistema elétrico provo-ca a abertura de um dispositivo de proteção, com o objeti-

vo de restringir a abrangência e a gravidade do defeito so-

bre os demais componentes. A abertura do dispositivo deproteção em sistemas radiais e radiais com recurso provo-

ca a interrupção no fornecimento de energia elétrica nospontos de carga posteriores à proteção. Se existir pontos

de interligação que possam alimentar parte das cargas in-terrompidas durante o tempo de reparo do componente

defeituoso, este componente é isolado (o componente de-feituoso fica entre pelo menos dois dispositivos abertos).

Através do fechamento de chaves NA’s, transfere-seas cargas interrompidas que estão fora da área isolada, para

um outro alimentador. A grande maioria dos programas

computacionais que avaliam a confiabilidade de sistemas

de distribuição, utilizam o critério da continuidade comohipótese básica. Este critério baseia-se apenas na existên-cia de caminhos que possibilitem atender um determinadoponto de carga, não considerando nenhuma restrição téc-nica, como carregamento e tensão. A desconsideração des-tes aspectos pode provocar problemas ainda maiores, tan-to nas cargas que estão sendo transferidas, quanto nas car-gas normalmente atendidas pelo circuito que está receben-do a transferência.

Dos aspectos técnicos a serem considerados, o quepode provocar os maiores e mais imediatos impactos é olimite de carregamento. A potência máxima que pode sertransferida para um alimentador é determinada levando-seme consideração a disponibilidade (capacidade menos car-regamento em regime normal) de todos os ramos do pontode interligação até a fonte, inclusive a transfor-mação dasubestação.

Para determinar a influência da restrição de transfe-rência de carga na avaliação da confiabilidade, inicialmen-te o algoritmo desenvolvido identifica os pontos de cargaque serão transferidos para um outro alimentador. Nestemomento, é comparada a carga total a ser transferida coma capacidade máxima de transferência dos pontos deinterligação (chaves NA’s). Caso a carga total a sertransferida seja inferior a soma das capacidades dos pon-tos de interligação, toda esta carga poderá ser atendidapelos outros alimentadores. Nesta situação, será computa-do apenas o tempo de chaveamento para estes pontos decarga, no cálculo dos índices de confiabilidade.

Por outro lado, caso a capacidade total das chavesNA’s não suporte toda transferência dos pontos de carga,é realizada uma busca para verificar a existência deseccionadoras que limitem a potência a ser transferida. Estabusca é realizada a partir do componente defeituoso nosentido do ponto de interligação. A seccionadora mais pró-xima do defeito é acionada, e determinam-se quais os pon-tos de carga permanecem fora da área isolada. Verifica-senovamente se a carga total dos pontos de carga remanes-centes é inferior a capacidade máxima de transferência. Casoafirmativo, realiza-se a transferência e, para os pontos decarga que foram incluídos na área isolada, será computadonos índices de confiabilidade o tempo de reparo, para osque foram transferidos para outros alimentadores, serácomputado o tempo de chaveamento. Caso não seja possí-vel realizar a transferência, deve-se seguir no sentido doponto de interligação até encontrar uma outra seccionadora,e repetir o procedimento.

Para exemplificar, também será utilizado o sistemateste da Figura 4. Na análise anterior, observou-se que aofalhar a linha de distribuição situada no ramo 8, o disjuntorde entrada do Ramal 1 será atuado e as seccionadoras dosramos 7 e 13 serão abertas. Com isso, os pontos de cargaLP-5, LP-6 e LP-7 deverão ser alimentados pelo Ramal 2,através do fechamento da chave NA do ramo 500. A po-tência destes 3 pontos de carga são respectivamente 566

LP-2

(3)LP-1

(2)

(1)

(4)

(14)

(19)

(13)

(20)

(21)

(17)

(16) (15)

LP-4

(5)

LP-6 (18)

LP-3

(6)

LP-5

(12) (11 )

(10) (9)

(8)

(7)

R 1

LP-7 (22)

~

(28)

(24)

(27)

(30)

(26)

(23)

R 2

(29) LP-9

(25) LP-8

~(48)

(42)

(46) (45)

(36)

(35)

(41)

(32)

(47)

(39)

(37)

(34) (33)

R3

LP-12

(43)

LP-11 (38)

(40)

LP-14

(50)

LP-13 (44)

LP-10

(31)

LP-15 (49)

~

LP-1 6

LP-1 7

LP-2 1

LP-2 2

LP-1 8

LP-1 9

LP-2 0

(64 )

(68 )

(52 )

(63 ) (59 )

(51 )

(69 )

(67 )

(58 )(55 )

R 4

(53 ) (54 )

(56 )

(57 )

(72 )(71 )

(70 )

(62 )

(60 )

(65 )

(61 )

(66 )

~

��������������������� �!""#24

kW, 454 kW e 454 kW, resultando em um total de 1.474kW. Ao adotar uma capacidade máxima de 1.200 kW para

a chave NA do ramo 500, verifica-se que a transferência

não pode ser efetuada. De acordo com o procedimento, apróxima seccionadora a ser acionada é a do ramo 19, o

que acarreta a inclusão dos pontos de carga LP-5 e LP-6na área isolada. A soma das potências dos pontos de carga

remanescente, neste caso apenas o LP-7, é 454 kW, que éinferior a capacidade máxima do ponto de interligação e,

portanto, a transferência pode ser realizada.Neste exemplo, a duração da interrupção experimen-

tada pelos pontos de carga LP-5 e LP-6, deixou de ser otempo de chaveamento para ser o tempo de reparo do com-

ponente do ramo 8. Esta alteração irá refletir na avaliação

dos índices de confiabilidade. A aplicação em um caso real,comparando os resultados ao se considerar a restrição de

transferência de carga, será apresentada a seguir.

V. APLICAÇÃO EM UM SISTEMA REAL

A simulação de um sistema real só foi possível com odesenvolvimento de programas computacionais que possi-

bilitaram a utilização da base de dados existente na empre-

sa e a aplicação automática da metodologia aqui proposta.O sistema escolhido foi o da cidade de Papagaios, que ocupa

uma área de 556 km2 e fica no Oeste de Minas Gerais. Estesistema é considerado de médio porte, pois possui 148 ra-

mos e 61 pontos de carga, distribuídos em quatroalimentadores principais. A sua topologia pode ser

visualizada através da Figura 6 [12].

SE_PT ID

Nd1_PT 9Nd2_PT ID 9

ND3_ PT 9

Nd4_PT 9 Nd5_PT 9Nd6_PT 9 Nd7_PT 9

Nd8_PT 9

Nd9_PT 9

Nd10_PT 9Nd10_PT 14

Nd11_PT 9

Nd12_PT 9

Nd13_PT 9 Nd11_PT 14

Nd15_PT 9

Nd14_PT 9

Nd16_PT 9

Nd17_PT 9

Nd1_PT 14

Nd2_PT 14

Nd3_PT 14

Nd4_PT 14 Nd5_PT 14Nd6_PT 14

Nd7_PT 14 Nd8_PT 14Nd9_PT 14

Nd12_PT 14

Nd13_PT 14 Nd14_PT 14

Nd15_PT 14PP5Nd10_PP

Nd18_PT 9

Nd16_PT 14

SE_PPUD

Nd03_PP

Nd04_PP

Nd05_PP

Nd06_PP

Nd01_PP Nd02_PP

Nd07_PP

Nd08_PP

Nd09_PP

Nd29_PRD

Nd26

Nd27 Nd28Nd23_PRD

Nd24_PRDNd25_PRD

Nd22_PRDNd20_PRD

Nd21_PRD

Nd19_PRDNd18_PRD

Nd16_PRD

Nd17

Nd11_PRDNd12_pr d Nd13_PRD

Nd14_PRDNd15_PRD

Nd10_PRD

Nd09_PRD

Nd07_PRD

Nd08_PRD

Nd06_PRD

Nd04_PRDNd05_PRD

Nd03_PRD

Nd02_PRD

Nd01_PRD

NODE1

RURAL MONOFASICO?

LP1 LP2 LP3 LP4

LP9

LP8

LP7

LP6LP5

LP14

LP13

LP12

LP11

LP10

LP28

LP15LP19LP18

LP17

LP16

LP24

LP23

LP22

LP21LP20

LP35LP27 LP26

LP26

LP31

LP30

LP29

LP61

LP34

LP33

LP32

LP36 LP37

LP38

LP39

LP40

LP55

LP48

LP49LP43 LP42

LP41LP47

LP46 LP45

LP44

LP53LP52LP54

LP56

LP51

LP50

LP60

LP59

LP58LP57

Ramal 1

Ramal 2

Ramal 3

Ramal 4

FIGURA 4 - Sistema Elétrico de Papagaios

A avaliação realizada utilizando o sistema completo

demonstrou que sua malha de conectividade é bastantecomplexa. Verificou-se a presença de inúmeros caminhos

alternativos (mais de trinta) para cada ponto de carga.

Obviamente, seria praticamente impossível a identificaçãode todos estes caminhos NA’s somente através de uma ins-

peção visual.

A. Decomposição do Sistema por AlimentadorUtilizando a metodologia que separa o sistema total

por alimentador, a configuração que representa o

alimentador 1 (Ramal 1) do sistema de Papagaios está

mostrada na Figura 7. Observa-se que existem três pontos

de interligação, dois interligando com o Ramal 2 e um in-

terligando com o Ramal 4. Sistemas similares foram cria-

dos para os outros três alimentadores.

SE_PTID

Nd1_PT9Nd2_PTID9

ND3_PT9

Nd4_PT9 Nd5_PT9Nd6_PT9 Nd7_PT9

Nd8_PT9

Nd9_PT9

Nd10_PT9

Nd11_PT9

Nd12_PT9

Nd13_PT9

Nd15_PT9

Nd14_PT9

Nd16_PT9

Nd17_PT9

Nd18_PT9

LP1 LP2 LP3 LP4

LP9

LP8

LP7

LP6LP5

LP14

LP13

LP12

LP11

LP10

~

~~

FIGURA 5 - Alimentador 1 do Sistema de Papagaios

A Tabela 1 apresenta os dados referentes aos índices

para alguns pontos de carga: FIC e DIC [1]. A Tabela 2

mostra os resultados obtidos para os índices de sistema: e

FEC e DEC [1]. Na coluna denominada sistema original,

foram dispostos os resultados considerando o sistema com-

pleto. Os resultados obtidos com a nova metodologia que

decompõe o sistema por alimentadores foram colocados

na coluna sistema decomposto.

TABELA 1

Comparação dos Índices de Ponto de Carga

Ponto de Carga FIC DIC[Interrupções/ano] [horas/ano]

Sistema Sistema Sistema SistemaOriginal Decomposto Original Decomposto

Ramal 1 LP01 17,6072 17,6072 12,4302 12,4302

LP02 17,6145 17,6145 12,4389 12,4389

LP03 17,6186 17,6186 12,4439 12,4439

LP04 17,6161 17,6161 12,4409 12,4409

Ramal 2 LP15 29,5717 29,5717 20,8849 20,8849

LP16 29,5717 29,5717 26,5771 26,5771

LP17 29,5717 29,5717 34,6072 34,6072

LP18 29,5785 29,5785 20,8930 20,8930

Ramal 3 LP28 16,9511 16,9505 11,9657 11,9653

LP29 16,9691 16,9592 11,9821 11,9757

LP30 17,0624 16,9858 12,0571 12,0077

LP31 17,0705 16,9847 12,0617 12,0063

Ramal 4 LP35 29,8207 29,7780 21,0692 21,0198

LP36 29,8252 29,7848 21,0746 21,0279

LP37 29,8252 29,7848 25,2421 25,1954

LP38 29,8252 29,7848 25,2421 25,1954

TABELA 2

Comparação para os Índices de Sistema

FEC DEC[Interrupções/cons.ano] [horas/cons.ano]

Sistema Sistema Sistema SistemaOriginal Decomposto Original Decomposto

24,5474 23,9982 17,9390 17,5108

��� ����������

������������������� ���������������������������������� 25

Analisando os resultados, pode-se observar que o de-sempenho do método proposto é excelente. Existe somen-te uma pequena diferença nos valores cujos pontos de car-ga pertencem aos ramais 3 e 4. Este fato é devido a estesramais possuírem apenas um ponto de interligação com osoutros ramais, o que os tornam mais vulneráveis a falhasde 2ª ordem. Entretanto, verifica-se que os valores obtidossão totalmente compatíveis, onde a diferença percentualentre os métodos permaneceu inferior a 1%. Este desem-penho foi também obtido para todas as redes de distribui-ção da CEMIG analisadas.

Para o sistema completo, o tempo total de simulaçãoutilizando um processador de 750 MHz, ficou em torno de15 minutos. Com o mesmo processador, o soma dos tempospara simular os 4 sistemas resultantes de cada um dosalimentadores, foi inferior a 2 minutos. Apesar do sistemade Papagaios ser de médio porte, pode-se observar o grandeganho computacional obtido ao se utilizar o método pro-posto. Em muitos casos reais, em virtude da dimensão dossistemas, é impossível a análise considerando o sistema com-pleto, devido às restrições dos computadores atuais.

B. Influência da Restrição de Transferência de CargaCom a modelagem proposta na Seção 4, a existência

de um caminho alternativo (chave NA) não garante que osconsumidores interrompidos serão transferidos, vai depen-der da capacidade disponível no(s) ponto(s) de interligação.Para avaliar os impactos nos resultados com a adoção darestrição de transferência de carga, também foi utilizado osistema de Papagaios, mostrado na Figura 6. Os resultadosforam gerados pelo algoritmo desenvolvido, que utiliza emseu processo interno o princípio da enumeração de esta-dos (analítico) e a teoria dos conjuntos mínimos de corte[3,4]. Os valores obtidos para este sistema, considerandorestrições nas transferências e sem considerar tais restri-ções, são apresentados nas Tabelas 3 e 4.

Como era de se esperar, a quantidade de interrupçõesnão é alterada pela restrição na transferência de carga, poisa transferência somente irá interferir na duração da inter-rupção. Portanto, os índices FIC e FEC, apresentam osmesmos valores nas duas condições. Os índices DIC e DEC,que consideram a indisponibilidade média anual, são dire-tamente afetados pela restrição de transferência de cargae, em muitos casos, apresentam valores diferentes para asduas situações. Obviamente, a restrição de transferênciade carga sempre aumenta os índices baseados na duraçãoda interrupção. Por exemplo, o índice DEC aumentou de17,5108 para 28,5628 horas/consumidor-ano, quando res-trições de transferência de carga foram consideradas.

A diferença percentual média encontrada tomandocomo referência os valores sem restrição na transferência decarga foi de 57%. A maior diferença percentual ocorreu nospontos de carga LP10 e LP13: DIC (sem restrição) =12,42635 horas/ano e DIC (com restrição) = 38,09224 ho-ras/ano, i.e. 206%. Portanto, houve uma diferença conside-rável, que justifica plenamente a utilização da metodologia.

TABELA 3

Influência da Restrição de Transferência de Carga: Índicesde Pontos de Carga

Ponto de Carga FIC DIC[Interrupções/ano] [horas/ano]

Sem Com Sem ComRestrição Restrição Restrição Restrição

Ramal 1 LP01 17,6072 17,6072 12,4302 13,4428

LP02 17,6145 17,6145 12,4389 16,4922

LP03 17,6186 17,6186 12,4439 20,5581

LP04 17,6161 17,6161 12,4409 24,8781

Ramal 2 LP15 29,5717 29,5717 20,8849 27,0593

LP16 29,5717 29,5717 26,5771 32,7515

LP17 29,5717 29,5717 34,6072 40,7817

LP18 29,5785 29,5785 20,8930 31,8875

Ramal 3 LP28 16,9511 16,9511 11,9657 12,0664

LP29 16,9691 16,9691 11,9821 13,8452

LP30 17,0624 17,0624 12,0571 26,5257

LP31 17,0705 17,0705 12,0617 28,2791

Ramal 4 LP35 29,8207 29,8207 21,0692 21,0692

LP36 29,8252 29,8252 21,0746 21,0746

LP37 29,8252 29,8252 25,2421 25,2421

LP38 29,8252 29,8252 25,2421 25,2421

TABELA 4

Influência da Restrição de Transferência de Carga: Índicesde Sistema

FEC DEC[Interrup/consumidor ano] [horas/consumidor ano]

Sem Restrição Com Restrição Sem Restrição Com Restrição

23,9982 23,9982 17,5108 28,5628

A influência da restrição na transferência em um de-

terminado ponto de carga depende: i) da topologia do sis-tema e do esquema de proteção; ii) de sua distância até o

ponto de interligação e iii) da relação entre o montante decarga a ser transferido e a capacidade máxima das chaves

NA’s. Para exemplificar, os quatros pontos de carga doRamal 4, apresentados na Tabela 3, totalizam 144 kVA e

são os pontos mais próximos à única chave NA deste

alimentador. Como a capacidade máxima desta chave é de1.250 kVA, estes pontos de carga sempre serão incluídos

em uma transferência e, portanto, não apresentam diferen-ça para as duas condições. No sistema analisado, somente

31% do total de pontos de carga não apresentaram dife-renças para as duas situações.

VI. CONCLUSÕES

O desenvolvimento de programas computacionais quesimulam situações reais está se tornando indispensável no

auxílio à operação e ao planejamento de sistemas elétricos.Estas ferramentas devem recriar as condições operativas

experimentadas pelos sistemas de distribuição, para queanálises preventivas possam ser realizadas a fim de evitar

��������������������� �!""#26

acidentes e melhorar o desempenho dos sistemas a um custo

aceitável. Uma característica muito comum encontrada na

prática é a restrição de transferência de carga devido à ca-pacidade limite dos equipamentos. Neste trabalho foi apre-

sentado um novo método para avaliação preditiva daconfiabilidade em sistemas de distribuição, onde se consi-

deram as restrições de transferência de carga.

Durante a fase de implementação do algoritmo desen-volvido em uma rede de distribuição típica, surgiram al-

guns obstáculos que impediam sua aplicação. Devido à di-

mensão e a complexidade da malha de conectividade dossistemas reais avaliados, em muitos casos a capacidade de

memória dos computadores utilizados era insuficiente e,em outros, o tempo computacional era muito elevado. Para

solucionar este problema e viabilizar a utilização do pro-grama de confiabilidade, foi desenvolvida uma metodologia

que decompõe o sistema de distribuição em váriossubsistemas, baseada na identificação automática dos

alimentadores principais. Com isso, a avaliação foi realiza-da de forma eficiente do ponto de vista computacional,

sem comprometer a precisão dos resultados finais.

VII. REFERÊNCIAS

[1] Resolução 024 - ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica,Diário Oficial da União, Janeiro/2000.

[2] R. N. Allan, R. Billinton, A. M. Breipohl e C. H. Grigg,“Bibliography on the Application of Probability Methods in PowerSystem Reliability Evaluation”, IEEE Trans. on Power Systems,vol. 14, no. 1, pp. 51-57, Feb. 1999.

[3] R. Billinton and R.N. Allan, “Reliability Evaluation of PowerSystems”, 2nd Edition, Plenum Press, N.Y., 1994.

[4] R. N. Allan, R. Billinton, M. F. de Oliveira, “An Efficient Algorithmfor Deducing the Minimal Cuts and Reliability Indices of a GeneralNetwork Configuration”, IEEE Trans. Reliability, vol. R-25, no. 4,Out. 1976.

[5] R.N. Allan, R. Billinton, I. Sjarief, L. Goel, K.S. So, “A ReliabilityTest System for Educational Purposes - Basic Distribution SystemData and Results”, IEEE Trans. on Power System, Vol. 6. No. 2,pp. 813-820, May 1991.

[6] R.N. Allan and M.G. da Silva, “Evaluation of Reliability Indicesand Outage Costs in Distribution Systems”, IEEE Trans. on PS,Vol. 10, No. 1, pp. 413-419, Feb. 1995.

[7] A.A. Chowdhury and D.O. Koval, “Value-Based DistributionSystem Reliability Planning”, IEEE Trans. on Industry Applications,Vol. 34, No. 1, pp.23-29, Jan./Feb. 1998.

[8] R. Billinton e P. Wang, “Distribution System Reliability Cost/WorthAnalysis Using Analytical and Sequential Simulation Techniques”,IEEE Trans. on Power Systems, Vol. 13, no. 4, pp. 1245-1250, Nov.1998.

[9] A.M. Cassula, A.M. Leite da Silva, R. Billinton e L.A.F. Manso,“Avaliação da Confiabilidade em Sistemas de Distribuição Consi-derando Falhas de Geração e Transmissão”. XIII CBA – Congres-so Brasileiro de Automática, Florianópolis - Brasil, Setembro 2000.

[10] A.M. Leite da Silva, A.M. Cassula, R. Billinton e L.A.F. Manso,“Optimum Load Shedding Strategies in Distribution Systems”, IEEEPower Tech Conference, Porto, Portugal, August 29 - September 2,2001.

[11] A.M. Leite da Silva, A.M. Cassula, R. Billinton e L.A.F. Manso,“Integrated Reliability Evaluation of Generation, Transmission andDistribution Systems”, IEE Proc. Pt. C, a ser publicado, 2002.

[12] A.M. Leite da Silva, A.M. Cassula e C.E. Sacramento, “Avaliaçãoda Confiabilidade dos Sistemas de Distribuições da CEMIG, Pro-jeto de Pesquisa e Desenvolvimento, Relatórios 1, 2 e 3, Outubro/2001 - Março/2002.

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������������������� ���������������������������������� 27

RESUMO

Este artigo aborda o problema da recomposição de um siste-ma de distribuição de energia elétrica após a localização eisolamento da área com defeito. Propõe-se a determinar umaseqüência de manobras para o restabelecimento da áreadesenergizada atendendo o máximo de carga no menor tempopossível. Para isto utiliza-se de um Método Exato, através dedois métodos, ditos Método Exato, com programação linearinteira mista e Método de Busca Heurística. Os dois métodosforam aplicados em redes de distribuição reais que compõemo banco de dados geo-referenciado da COPEL. Propõe-se tam-bém a simplificação de circuitos como forma de redução doesforço computacional.

PALAVRAS-CHAVE

Recomposição de Sistemas de Distribuição; Reconfiguraçãode Redes de Distribuição; Heurísticas; Programação LinearInteira Mista.

I. INTRODUÇÃO

Quando a energia é interrompida torna-se impres-

cindível recompor o sistema em uma configuração óti-

ma no menor tempo possível. Algumas necessidadespráticas foram levantadas para a execução do projeto e

estão listadas abaixo:• Encontrar uma configuração no menor tempo possível

e que não viole as restrições. Evidentemente, espera-se que o tempo de resposta seja proporcional ao ta-

manho e complexidade da área em análise.• Minimizar o número de manobras envolvidas em cada

configuração.• Recompor maior quantidade de carga possível.

• Nenhum equipamento ou componente do sistema deve

ser sobrecarregado.• Manter a radialidade do sistema.

Em geral, o problema é combinatorial, multi-obje-tivo, não-linear e sujeito a restrições operacionais. O

F. A. Gruppelli Junior – COPELM.T.A. Steiner, J.Y. Yuan, C. Carnieri , N.M.P. Volpi , V.E. Wilhelm, N.H.Mussi, C.F.Antonio,

E. Miqueles, E.L. Andretta Filho, E.M. Kalinowski, A.C. Alves,C. Gulin - Universidade Federal do Paraná – Departamento de Matemática / PPGMNE

V.C.Zambenedetti, M.Klimkowski – LACTEC

Desenvolvimento de Algoritmos Matemáticospara a Otimização do Sistema de Distribuição

de Energia Elétrica

tamanho do problema depende essencialmente da quan-

tidade de chaves envolvidas na busca de uma configura-ção ótima, sendo que 2n combinações podem ser gera-

das, onde n é o número de chaves envolvidas.

A. Descrição do Problema.Em grandes centros urbanos temos configurações

de redes complexas e com várias opções de manobra

através de chaves normalmente-abertas (NA) amplian-do o tamanho do problema.

Este problema tem recebido atenção nos últimos anose diversas abordagens têm sido propostas usando métodos

de otimização, heurísticas e sistemas especialistas.

Ciric e Popovic[1] propuseram uma metodologiaque combina uma abordagem heurística e Programação

Inteira Mista para resolver o problema da recomposi-ção. Devido a sua eficiência computacional, esta abor-

dagem pode ser utilizada tanto em ambientes de plane-jamento quanto de operação.

Hsu et al.[2] propõem um plano de recomposiçãopróprio depois da localização da falta ter sido feita e a

região isolada. Como é um assunto urgente no sistemade operação de distribuição, o plano deve ser alcançado

em um curto período de tempo. Além disso, a área fora

de serviço deve ser minimizada. Para atingir um planoque satisfaça todas as necessidades práticas, um con-

junto de regras heurísticas é compilado através de en-trevistas com operadores experientes.

Nagata et al.[3][4] desenvolvem um método interli-gando o uso de Sistemas Especialistas e uma abordagem

de Programação Matemática. Todo o problema é decom-posto em subproblemas de acordo com conhecimentos

genéricos de especialistas. A introdução de um novo con-ceito (custo de operação) reflete as várias estratégias e di-

minuiu o número de regras do Sistema Especialista.

Shirmohammadi [5] descreve o princípio e a imple-mentação de uma metodologia heurística para recompor o

sistema em porções isoladas. A metodologia determina umnúmero mínimo possível de operações de necessárias. Res-

Este trabalho faz parte do Programa Anual de Pesquisa e Desenvolvi-mento da COPEL Distribuição, ciclo 2000/2001 e está sendo realizadoem parceria com a Universidade Federal do Paraná (UFPR) e LACTEC

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trições de operação são consideradas na recomposição.

Morelato e Monticelli [6] tratam de problemas re-

lacionados à busca heurística em profundidade, auxiliados

pela experiência do operador para direcionar a busca. A

estrutura proposta permite resolver uma grande variedade

de problemas.

Hattori et al.[7] propõem um novo algoritmo para a

construção de procedimentos de recomposição de uma rede

de distribuição em que grande parte da energia está cortada.

Kuo e Hsu[8] desenvolveram uma abordagem basea-

da na teoria dos conjuntos difusos para estimar as cargas

em um sistema de distribuição com o objetivo de planejar

o serviço de restauração seguido a uma falta.

B. Simplificação do Cadastro da Rede

Alimentadores de distribuição, enquanto fazem parte

do banco de dados SIG, possuem de 400 até 5000

objetos(elementos) que podem ser trechos, chaves, equi-

pamentos ou postos de transformação. Isto implica em con-

siderável tempo de processamento para cálculos de fluxo

de potência.

Para atender as necessidades de processamento e res-

posta em tempos adequados foi realizada uma simplifica-

ção dos circuitos geo-referenciados em duas etapas. Na

primeira etapa várias partes do alimentador são colapsadas

de maneira a formar blocos de carga (trechos entre cha-

ves). Nesta etapa já é possível obter ganhos em relação ao

tamanho original (Ver Tabela 1). Numa segunda etapa, os

ramais sem interligação com outros alimentadores são tam-

bém reduzidos e formam apenas um bloco de carga. Dessa

forma consegue-se real diminuição na quantidade de obje-

tos. Em média a quantidade de elementos torna-se apenas

6% da configuração original.

TABELA 1

Resultados da simplificação da rede

Alimentador Elementos Elementos ElementosOriginal após Etapa 1 após Etapa 2

Alim 75 288 92 18

Alim 24 482 122 25

Alim 25 474 139 25

Alim 31 405 107 22

Alim 33 351 138 28

Alim 34 352 132 23

Alim 39 303 107 22

Alim 49 602 141 27

Média 407 122 24

II. ALGORITMOS E MÉTODOS PROPOSTOS

A. Programação Matemática - Método Exato

O modelo desenvolvido foi inspirado em Ciric e

Popovic [1] e utiliza-se de Programação Linear Inteira

Mista baseando a busca em variantes onde a área

desenergizada é suprida por alimentadores adjacentes(rede

local). A função objetivo pode ser expressa por:

∑∑∑== =

−++−−=N

1iii

N

1i

N

1jijjiijijjiij ZLCY)XY(CX)XX1( W min βα (1)

onde

W - função objetivo.

α e β - parâmetros modificados em função do caráter multi-

objetivo .

N - número total de nós da rede local.

C - custo operacional das chaves(C=1 para chaves de ope-

ração sob carga e C=10, para outros tipos de chaves).

Xij - variável inteira que representa o status da chave depois

da recomposição, se a chave estava fechada antes do proce-

dimento. X=1 se a chave é fechada após o procedimento.

Yij -

variável inteira que representa o status da chave após a

recomposição, se a chave estava aberta antes do procedi-

mento. Y=1 se a chave é fechada após o procedimento.

Zi - variável inteira que denota o status da carga(bloco).

Z=1 se a carga é atendida após o procedimento.

Li - vetor de carga dos nós.

Restrições:

a) Balanço de potência

ii

N

1kikkiik ZL)ICIC(A =−∑

= bloco i não fonte (2)

i

N

kkiikik LICAYAX ≤+∑

=1

)( “ bloco i fonte (3)

b) radialidade.

i

N

kki

Gik

N

kki

Gik ZYAYXAX ≤+ ∑∑ bloco i não fonte (4)

0YAYXAXN

kki

Gik

N

kki

Gik ≤+ ∑∑ “ bloco i fonte (5)

c)capacidade dos trechos

ijijij XIMXIC ≤ “ i,j | IMXij ¹ 0 (6)

kjijij YIMYIC ≤ “ i,j | IMYij ¹ 0 (7)

d) bloco atendido por apenas uma chave

1≤+ jiij XX “ i,j | AXij ¹ 0 (8)

1≤+ jiij YY “ i,j | AYij ¹ 0 (9)

onde:

A- matriz de adjacência que fornece as ligações

IC -matriz das correntes em cada trecho.

IMX, IMY - matriz das capacidades máximas por trecho.

��� ����������

������������������� ���������������������������������� 29

O objetivo é recompor a maior quantidade de consu-

midores, expresso pela carga, no menor tempo possível,

expresso pela quantidade de chaves a ser manobrada. Na

função objetivo (1) o primeiro termo minimiza o número

de manobras a ser realizado e segundo termo minimiza a

carga não atendida.

Existem chaves que possuem preferência para serem

usadas em caso de manobras. São chaves de operação sob

carga que possuem um custo operacional menor, e têm a

sua utilização priorizada na escolha da melhor seqüência.

Através da criação de uma rede local com um determi-

nado número de alimentadores, adjacentes ou não, procu-

ra-se reduzir o tamanho do problema e tornar a solução mais

objetiva. Estes alimentadores estão destinados a receber parte

da carga da área desenergizada. Equações são geradas e sub-

metidas à solução através de um solver (LINGO -Language

for Interactive General Optimizer). É verificado, então, qual

a capacidade de reserva que cada alimentador dispõe, que é

achado pela diferença entre a carga que está sendo suprida e

sua capacidade máxima permitida.

Evidentemente que mudanças na configuração da rede

vão causar mudanças nas tensões e correntes dos trechos.

Estes valores precisam ser checados para verificar se ne-

nhuma restrição foi violada.

A variação dos valores de α e β nos dá uma idéia das

soluções possíveis levando em conta o caráter multi-obje-

tivo para atender cargas e recompor o sistema no menor

tempo possível. Como resultado obtém-se a seqüência de

manobras para isolar a área faltosa, as chaves NA (Nor-

malmente abertas) que devem ser fechadas e as NF (Nor-

malmente fechadas) que devem ser abertas.

Caso não seja possível atender todas as cargas é pro-

posto um corte de carga , sendo informado as chaves que

deverão ser abertas e qual o montante a ser cortado.

B. Método de Busca Heurística

O Método de Busca Heurística foi inspirado nos arti-

gos de Hsu et al.[2] e Nagata et al.[3] e é apresentado

sucintamente no Fluxograma da Figura 1. Este método pode

ser descrito como se segue.

Após identificado o bloco com defeito, o primeiro

passo é identificar todas as chaves vizinhas a esse bloco

(nó) e abri-las. Para cada chave aberta (exceto a que pode

ser energizada pelo próprio alimentador), ter-se-á uma

subárvore, composta por um só bloco, ou por vários blo-

cos, sendo que cada uma destas subárvores precisa ser

reenergizada.

É importante notar que cada uma dessas subárvores é

independente das outras, excetuando-se possíveis ligações

com chaves de loop, e que reenergizar, ainda que comple-

tamente uma dessas subárvores, não garante o

restabelecimento das outras.

Ao tratar-se especificamente de cada subárvore, ten-

tar-se-á, primeiramente, fechar chaves de loop para soluci-onar parcial ou totalmente o problema. Para isso, mantém-

se uma lista dos blocos que estão alimentados. Verifica-se,então, se há alguma chave de loop interligando algum blo-

co alimentado a um não alimentado. Se houver, fecha-seessa chave, e considera-se a subárvore onde está esse blo-

co como já resolvida. Adicionam-se à lista de nós alimen-

tados, todos os nós dessa subárvore. Repete-se o processoaté que não se possa mais alimentar novos nós.

Caso haja ainda uma ou mais subárvores não recom-postas, utiliza-se o processo descrito a seguir para cada

uma delas:• Em primeiro lugar, faz-se uma lista de todas as possibili-

dades de conexão com alimentadores vizinhos a estasubárvore;

• Se não for possível atender toda a subárvore com umaligação só, tenta-se determinar o máximo (em termos de

carga) que se pode atender com uma ligação;

• Se não houver uma ligação que resolva totalmente o pro-blema, tenta-se resolver o problema envolvendo dois

alimentadores vizinhos;• Repete-se o mesmo procedimento para todos os outros

pares de alimentadores vizinhos;• Cada vez que se encontra uma solução viável, calcula-se

um valor para essa solução da seguinte forma:

Z = C + Σ ki

(10)

onde :

C é a carga não atendida

ki é o peso da chave i, onde i varia de 1 até o número de

chaves que foram abertas ou fechadas (chaves manobradas).

FIGURA 1 – Fluxograma do procedimento heurístico

Início

Localização da área com defeito

Delimitação da área com defeito

e leitura de seus dados

Cálculo da capacidade reserva (marginal) de cada

um dos alimentadores vizinhos

Algoritmo de Busca Heurística parao Problema de Recomposição

Impressão do Plano de Recomposição

Fim

��������������������� �!""#30

Chaves prioritárias têm pesos menores e chaves não

prioritárias têm pesos maiores. As n melhores soluções (n

é um parâmetro dependente de cada problema) são arma-zenadas pelo programa;

• Caso não tenha sido encontrado um atendimento totalligando-se dois vizinhos, faz-se a mesma coisa para três

vizinhos à subárvore;• Caso o programa ache uma solução para atendimento

total em qualquer estágio do procedimento apresentado,a busca é interrompida e o resultado final e/ou os parci-

ais são apresentados;

• Em seguida, procede-se da mesma forma para a próximasubárvore, caso haja, repetindo-se todo o procedimen-

to, atualizando-se as cargas reservas dos alimentadoresvizinhos.

III. SIMULAÇÕES E RESULTADOS

A. Exemplo Acadêmico

Considere a seguinte rede R(E,V), sub-dividida em

S1, S2 e S3 alimentadores. Os alimentadores estão interliga-dos através de blocos de ligação que representam as cha-

ves NA. Um defeito será gerado para o bloco 2 doalimentador 1. Figura 2.

Considerando o peso para minimizar o tempo e ascargas como sendo o mesmo(a=1 e b=1) e utilizando os

dois métodos anteriormente propostos obtém-se a seqüên-cia de manobras usada na tentativa de restabelecer o siste-

ma. Pode-se ver na Figura 2 o resultado.

FIGURA 2 – Resultado após procedimentos

Resultados:

Total de manobras: 5.

Chaves utilizadas para isolar o defeito: (1,2), (3,2), (4,2), (7,2)

Chaves abertas: (8,7), (10,11)

Chaves fechadas: (5,18), (12,18), (13,17)

Corte de carga: nó 8.

Para este exemplo os dois métodos encontraram o mesmoresultado.

IV. MINIMIZAÇÃO DE PERDAS

O objetivo desta etapa do projeto é apresentar técni-

cas matemáticas que possam ser utilizadas visando a redu-ção de perdas de energia elétrica obtendo desta forma uma

maior racionalização dos recursos energéticos.Dada a estrutura de uma rede elétrica (nós (blocos) e

arcos (chaves)), sendo as chaves manobráveis ou não, e assuas respectivas localizações e demais informações, a difi-

culdade de se obter a reconfiguração ótima, está em iden-tificar os estados ON/OFF (fechada/aberta) das chaves que

permitirão a minimização das perdas na rede radial a ser

obtida para a distribuição da energia elétrica.O modelo proposto neste trabalho para abordar o pro-

blema de redução de perdas está baseado no trabalho deSarma e Rao [11]. Supondo que a atual configuração já

esteja próximo da configuração ótimo, a proposta é fazeruma troca do estado das chaves normalmente abertas, in-

cluindo as chaves que interligam os alimentadores e as cha-ves de loops internos no alimentador. A escolha das cha-

ves que mudam de estado é feita através de uma rotina deotimização, baseada em programação binária, com função

objetivo não-linear e restrições lineares.

O critério para a decisão da melhor configuração, nestetrabalho, é o cálculo do “momento elétrico”, valor dado

pela somatória de resistência x corrente2 para todos os tre-chos de um alimentador. O menor valor do momento elé-

trico indicaria a melhor configuração. O momento elétricoda rede considerada é definido como:

jkij2kjk

jk

2p

1qkjkjijij

ij

2lmlm

lm

xxIrI.xIxrirPqq ∑∑∑∑ +

++=

=

sujeito às restrições:

2xxx kwjkij=++ , para trechos com grau(j) = 1

1)j(graucomtrechospara1)j(grauxxx

p,...,1qpara,2xxx

p

1qwk

p

1qjk

wkjk

qqqij

qqqij

>

+=++

=≤++

∑∑==

1xx kwjk =+ , para trechos com loop interno

onde:

grau do trecho: quantidade de chaves NA consideradas

lm trechos sem chave NA (variável associada)

ij trechos fechados com chave NA (variável associada)

jk trechos abertos

V. CONCLUSÕES

Neste artigo foram mostrados dois métodos para re-solver o problema da recomposição de sistemas de distri-

buição a partir de uma rede geo-referenciada utilizando

para isso programação linear inteira mista e heurísticas.Percebe-se que é possível reduzir circuitos comple-

��� ����������

������������������� ���������������������������������� 31

xos em modelos simples de forma que os perfis de tensão e

corrente tenham erros desprezíveis. A integração entre Sis-

temas de Informações Geográficas e ferramentascomputacionais para análise da configuração do sistema é

imprescindível pela sua atualização e modernidade.Os dois métodos são adequados para solução do pro-

blema e podem ser usados em redes de tamanho real. Omodelo de Programação Linear Inteira Mista consegue

reduzir consideravelmente o tamanho do problema ao uti-lizar o conceito de rede local fazendo uma abordagem bem

objetiva do problema. O modelo heurístico produz solu-

ções consideravelmente rápidas, normalmente em temposmenores que 01 segundo, atingindo objetivos práticos em

relação à sua utilização futura em ambiente de Centros deOperação da Distribuição (COD´s).

Os dois métodos estão sendo adaptados para sua uti-lização prática e combinada procurando refletir simulações

reais nas redes de distribuição COPEL.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Ciric, R.M.; Popovic, D.S. “Multi-objective Distribution NetworkRestoration using Heuristic Approach and Mix Integer ProgrammingMethod”. Electrical Power and Energy Systems v.22, 2000..

[2] Hsu, Y.Y.; Huang, H.M.; Fuo, H.C.; Peng, S.K.; Ghang, K.J.C.;Yu, H.S.; Chow, C.E.; Kuo, T.T. “Distribution System ServiceRestoration using a Heuristic Search Approach”. IEEE, 1991.

[3] Nagata,T.; Hatakeyama, S.; Yasuoka, M.; Sasaki, H.; “An efficientMethod for Power Distribution System Restoration Based onMathematical Programming and Operation Strategy”. IEEE 2000.

[4] Nagata, T.; Sasaki, H. e Yokoyama, R. “Power System by JointUsage of Expert System and Mathematical ProgrammingApproach”. IEEE Transactions on Power Systems, v. 10, n. 3, 1995.

[5] Shirmohammadi, D. “Service Restoration in Distribution Networksvia Network Reconfiguration”. IEEE Transactions on PowerDelivery, v. 7, n. 2, 1992.

[6] Morelatto, A.L. e Monticelli, A. “Heuristic Search Approach toDistribution System Restoration”. IEEE Transactions on PowerDelivery, v. 4, n. 4, 1989.

[7] Hattori, M.; Kaneshige, Y.; Shimada, K.; Takashi, K.; “A NewDistribution Power Network Restoration Algorithm Based onModern Heuristic Method”. IEEE, 2000.

[8] Kuo, H-C; Hsu, Y.-Y. “Distribution System Load Estimation andService Restoration using a Fuzzy Set Approach”. IEEE Transactionson Power Delivery, v.8, n. 4, 1993.

[9] Silva, W.C. “Método Otimizado de Simulação do Sistema Elétricode Distribuição”. CIER-Seminário Internacional sobre Planejamentoe Qualidade em Sistemas de Distribuição. Puerto Iguazu. 2001.

[10] Krishnan, S.K.; “Graph Algorithms for Loss Minimization troughFeeder Reconfiguration”. Master Thesis-Indian Institute ofScience,1998.

[11] Sarma, N. D.& Rao,K. S. P., A new 0-1 integer programming methodof feeder reconfiguration for loss minimization in distributionsystems, Eletric Power Systems Research, v.33, p.125-131, 1994.

[12] Civanlar,S., Grainger J. J., Yin, H. & Lee, S. S. H., Distributionfeeder reconiguration for loss reduction. IEEE Trans. Power Delivery,v.3, n.3, pp. 1217-1223, 1988.

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��� ����������

Desenvolvimento de Metodologia deManutenção Baseada em Confiabilidade paraRedes de Distribuição Urbanas da ENERSUL

J.A. Doniak , M. Massuda Sobo , E. G. Pereira, ENERSUL eM.Klimkowski, S.F. Sciammarella, M. Bassler, C.J. Suckow, e R.Vivekananda, LACTEC

RESUMO

O objetivo do projeto foi pesquisar e adaptar para a distribui-ção, conceitos de Manutenção Baseada em Confiabilidade(MBC) aplicados com sucesso em vários ambientes, inclusi-ve no sistema elétrico, na área de Geração. Foi realizado umnivelamento da equipe Enersul/Lactec dos conceitos básicosde MBC, auxiliado por especialista com experiência em siste-mas elétricos. A metodologia na forma tradicional foidisponibilizada para analise de materiais e equipamentos com-ponentes das redes de distribuição, cujo produto orientaráações a serem desenvolvidas no sentido de melhorar a quali-dade dos mesmos. Todavia, cada alimentador tem suaconfiabilidade dependente dos tipos e quantidades de materi-ais e equipamentos que o compõem e de eventos externos es-pecíficos que atuam sobre o mesmo. Para avaliar a influenciadestes fatores e medir a participação da manutenção preventi-va nos resultados da confiabilidade, foi desenvolvidometodologia complementar com facilidades de informatizaçãopara simular os prováveis efeitos da manutenção preventivanos índices FEC.

PALAVRAS-CHAVE

Confiabilidade; Manutenção; Manutenção Baseada naConfiabilidade; Redes de Distribuição; Taxa de Falha.

I. INTRODUÇÃO

Nas avaliações iniciais do projeto, foi concluído como

importante realizar um encontro de nivelamento da equipe

de especialistas da Enersul sobre os conceitos básicos da

Manutenção Baseada em Confiabilidade (MBC), o que foi

realizado com a participação da Copel, que vem implanta-

do esta metodologia na área de geração desde maio de

1996 e vem realizando experiências de implantação da

metodologia na distribuição. Foi realizado um encontro

técnico sobre o tema, considerado treinamento básico para

a discussão das etapas seguintes.O alimentador de distri-

buição possui duas características distintas quanto aos

materiais e equipamentos que o compõem. A primeira de-

corre da existência de equipamentos, em pequena quanti-

dade mas de significativa importância na sua confiabilidade.

Destacamos o disjuntor de saída na subestação, religadores

instalados na rede e chaves tele-controladas de manobra.

Pela quantidade e importância, tem controle do seu de-

sempenho e de manutenção realizados individualmente. A

aplicação da metodologia MBC para estes materiais não

exige nenhuma adaptação A segunda é expressa pela ca-

racterística da maioria de outros tipos de materiais e equi-

pamentos que pela importância e quantidade não tem con-

trole individual de desempenho, apenas é conhecida a taxa

média de falhas por tipo pelo controle dos sistemas de acom-

panhamento das ocorrências de interrupções da empresa.

Devido alto custo de um controle individual desta classe

de materiais e componentes, não se implantou a prática de

um controle de vida útil individual nas empresas em geral,

não existindo dados como data de instalação, valores das

solicitações de sobrecorrentes de curto circuito ou de

sobretensões de descargas atmosféricas as quais possam

ter sido submetidos.Outro fator que deve ser associado ao

desempenho do alimentador, que em geral apresenta gran-

de extensão exposta ao meio ambiente, são os eventos ex-

ternos que causam muitas interrupções, independente da

qualidade dos materiais e equipamentos e não podem ser

deixados de lado em uma metodologia de análise da Ma-

nutenção Baseada na Confiabilidade esperada do sistema

de distribuição.Os estudos demonstraram que a

metodologia deve abranger duas formas distintas de anali-

sar e controlar um alimentador: A primeira é aplicar a

metodologia MBC na sua forma tradicional para os equi-

pamentos de controle individual, através de ferramenta

informatizada que auxilie a formação de um plano de ins-

peção e manutenção destes componentes.A segunda é

adaptar a metodologia para avaliar a influencia dos demais

materiais e equipamentos não controlados individualmen-

te no alimentador. Para isso, foi desenvolvida uma

metodologia considerando o alimentador como um siste-

ma em analise cujo desempenho é dependente de seus com-

ponentes representados por seus blocos de operação deli-

mitados por chaves de proteção. Foi criado um aplicativo

informatizado para associar a taxa de falhas dos materiais

existentes, devidamente separadas na parte corretiva e pre-

ventiva, decorrente de um analise global dos materiais pela

metodologia MBC, em cada bloco, em função da quanti-

dade dos materiais e equipamentos existentes. Algoritmos

Este trabalho faz parte do Programa Anual de Pesquisa e Desenvolvi-mento da ENERSUL, ciclo 2001/2002 e está sendo realizado emparceria com o Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento -LACTEC

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foram associados para avaliar a participação da manuten-

ção corretiva e preventiva esperada por alimentador ou

bloco, e os valores finais esperados de FEC dos mesmos.

Este produto final permite, via aplicativo informatizado,

prever o ganho esperado da manutenção preventiva, em

que segmentos do alimentador ela é mais eficiente ou, se

mesmo com a manutenção preventiva os índices de desem-

penho esperados não tem probabilidade de que as metas

sejam atingidas.

A metodologia permite simular modificações no

alimentador em termos de mudança de tipos de materiais,

de padrão de redes ou ações em eventos externos, verifi-

cando a influencia de cada um destes fatores no resultado

final do desempenho do alimentador.

II. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

A. Aplicação da metodologia MBC para materiais eequipamentos de redes de distribuição.

O projeto foi baseado na aplicação das Planilhas de In-

formação e Decisão, base da Metodologia MBC. A Planilha

de Informação e Decisão é o documento gerador da infor-

mação e decisão para a tomada de ações corretivas ou pre-

ventivas. Nas planilhas são listados os componentes e anali-

sados sob a ótica de suas funções, falhas funcionais, modos

de falha, efeitos críticos no material e no sistema, curvas de

taxas de falhas, condições visuais do efeito da falha, conse-

qüências da falha, ação padrão, tarefas propostas, periodici-

dade e responsabilidade. Devido à importância e complexi-

dade de cada sistema, a Planilha deve ser elaborada por uma

equipe multidisciplinar da Empresa, composta de elementos

das áreas de engenharia, manutenção e operação. Eventual-

mente também podem participar especialistas externos

As planilhas foram adequadas para o uso tanto de

equipamentos individuais, como disjuntores, religadores e

chaves tele-comandadas, como também para componen-

tes genéricos de um alimentador, como postes, isoladores

transformadores chaves-fusíveis, etc.

Para cada modo de falha foi determinada uma ação

padrão que em principio é do tipo corretiva ou preventiva.

Observamos que no caso de um Sistema de Distribuição, no

Alimentador Urbano, a maioria das falhas tem conseqüênci-

as operacionais, ou seja, afetam a distribuição de energia,

provocam uma redução da receita e também causam dano à

imagem da Empresa. Este fato faz com que se deva analisar

a validade da adoção de ações preventivas. Estas ações se-

rão válidas de execução toda vez que o custo total em realizá-

las durante um determinado período de tempo é menor que

o custo das conseqüências operacionais citadas somadas ao

custo do reparo no mesmo espaço de tempo. Porém, caso

seja constatado um risco potencial de segurança a terceiros

ou ao meio ambiente, as considerações de custo devem ser

ignoradas e adotadas as medidas preventivas.

B. Manutenção corretiva.Constitui como uma das atividades rotineiras das áre-

as de manutenção de redes, com a finalidade de restaura-

ção de energia a consumidores atingidos por interrupção

de energia, estas ocorrências. Todavia, a minimização des-

tas ocorrências é uma das metas da área de manutenção e

por isso o método de análise para a identificação das ocor-

rências que geram manutenção corretiva e suas causas deve

subsidiar outras áreas envolvidas que tem papel importan-

te na padronização de materiais, equipamentos, padrões

de montagens, qualificação de produtos, aquisição e ins-

peção de qualidade.

Quando a causa esta ligada à qualidade de material, os

responsáveis por especificação, aquisição e recebimento do

material devem receber informações do que está ocorrendo

em termos de quantidade e custos de manutenção para que

seja avaliado se determinadas falhas devem ser mantidas como

normais do processo ou justifiquem ações de mudanças de

paradigmas no processo de especificação e aquisição.

Quando a causa está ligada a padrões construtivos, as

áreas de planejamento e projeto devem ser informadas so-

bre os pontos fracos e a quantidade de ocorrências de inter-

venção de manutenção que o atual padrão de redes de dis-

tribuição está apresentando. Quando a causa não é intrínse-

ca ao componente, fato comum em redes de distribuição

aéreas expostas ao meio ambiente, tais como vandalismo,

fogo debaixo de redes, etc., devem ser agrupadas para a

gerencia de manutenção quantificar estas ocorrências e ava-

liar a oportunidade de acionar meios para reduzi-las, por

exemplo, através de campanhas de conscientização.

C. Manutenção PreventivaO objetivo da manutenção preventiva está centrado

nas atividades de determinação das condições dos compo-

nentes das redes de distribuição relativo aos modos de fa-

lha cujos estados potenciais de falha são passiveis de pre-

visão através de inspeção visual ou instrumental.

Por isso, o principal problema da manutenção pre-

ventiva é a montagem de programas de inspeções e de

manutenções preventivas, seja em termos de tarefas a se-

rem realizadas, de custos destas atividades e de recursos

necessários para realizá-las.

A metodologia de análise de modos de falha MBC

por componentes da rede de distribuição, deve associar

para cada modo de falha, em quais o estado potencial da

falha pode ser detectado, e o tipo de tarefa a ser realizado

para detectar ou corrigir estes estados de falha potencial.

Como exemplo de tarefas, podemos citar a inspeção de

trechos a serem realizadas podas de arvores, estruturas onde

deve ser trocado algum componente ou equipamento, etc.

Além de associar a cada modo de estado potencial de

falha o tipo da tarefa, é necessário associar o numero de

vezes em que cada tarefa será executada ou repetida quan-

��������������������� �!""#34

��� ���������� do for o caso, no período do planejamento. Por exemplo,

realização de tarefas de inspeção visual da rede pode ter

uma periodicidade igual a 2, caso o período do planeja-

mento seja um ano e se deseja realizar esta tarefa duas ve-

zes no ano. Já para tarefas que resultam do levantamento

de dados das inspeções e originam tarefas individualiza-

das, como exemplo, tarefa de trocar isoladores danifica-

dos em estruturas determinadas pela inspeção, a substitui-

ção destes materiais será feita uma única vez e a periodici-

dade será de 1 vez no período.

Como exemplo de programas, tarefas que podem ser

realizadas ao mesmo tempo por determinada equipe de-

vem ser agrupadas em uma mesma relação constituindo

um programa. Por exemplo:

• Programa de Inspeção Visual;

• Programa de Inspeção Instrumental;

• Programa de Poda de Árvore;

• Programa de Limpeza de Isoladores e

• Programa de Aferição de Equipamentos.

O procedimento de associação da área responsável

por ações de caráter preventivo para cada modo de falha,

na montagem da planilha de modos de falha da Metodologia

MBC, facilitará a montagem de programas de manutenção

preventivos específicos por área especializada dentro da

unidade de manutenção preventiva da Empresa.

Para acompanhamento da confiabilidade dos compo-

nentes e como item de verificação e controle da

Metodologia MBC, deve ser adotada a taxa de falha média

do componente. Para determinação dos valores iniciais

deverá ser adotado, como por exemplo, o valor histórico

dos últimos cinco anos.

D. Confiabilidade de alimentadores

A análise de materiais e equipamentos com a aplicação

das técnicas da Metodologia MBC descritas neste projeto

formam uma planilha de informação e decisão sobre os mo-

dos de falha de cada material e equipamento componente da

rede de distribuição, aplicável a qualquer alimentador.

As diferentes características entre os alimentadores

como extensões por diferentes áreas geográficas, carga e

níveis de curto circuito da rede, conduzem que diferentes

alimentadores têm diferentes probabilidades de falha, sen-

do uma parte inerente as suas características físicas (exten-

são, tipos e quantidades de materiais e equipamentos com-

ponentes) e outra função das características das solicita-

ções externas variáveis em cada caso (arvores, descargas

atmosféricas, etc). Estas premissas permitem desenvolvi-

mento de algoritmos para metodizar a geração de taxas de

falhas do alimentador ou dos seus segmentos, bem como

simular o estado potencial de falha de cada alimentador ou

segmento associado aos valores de FEC potencial. A

metodologia incluiu, respeitando a estrutura específica em

termos da natureza e quantidade de componentes e ações

de eventos externos, a simulação da confiabilidade de cada

alimentador, permitindo verificar se a parcela de manuten-

ção preventiva possível é suficiente para manter o

alimentador dentro das metas de qualidade fixadas e, em

caso negativo, simular mudanças necessárias em seus ma-

teriais, equipamentos ou padrões, em parte ou no seu todo,

para atingir a metas desejadas de qualidade. Um

alimentador, em geral, é formado por inúmeros segmentos

delimitados por equipamentos de proteção, determinando

segmentos ou blocos do alimentador.

Dessa forma temos o alimentador como um sistema, seus

blocos como componentes do sistema e os materiais e equi-

pamentos que compõem cada segmento fontes de falhas que

podem levar a falha do bloco ou do alimentador todo.

Assim, temos dois tipos de blocos: bloco denomina-

do troncal e blocos dos ramais do alimentador. Todo

alimentador é dependente do equipamento de proteção ini-

cial, na saída da Subestação. Este equipamento marca o

inicio do que definimos de bloco troncal como sendo a

extensão de rede iniciada na Subestação até encontrar uma

chave de proteção ou o fim de um trecho de rede. Vide Fig

1 – área de cor de fundo amarela.

FIGURA 1 - Unifilar de um alimentador com o bloco troncal

identificado.

Este bloco é caracterizado por inexistir equipamentos

de proteção que o secionem automaticamente em caso de

defeito ao longo do mesmo. Em caso de defeito neste seg-

mento, a proteção é realizada pelo equipamento de prote-

ção que está situado na Subestação onde o alimentador se

origina, causando a interrupção de todo alimentador.

Defeitos em qualquer outro trecho fora da área troncal

da rede causarão interrupção em blocos parciais de consu-

midores, variáveis em função do segmento com defeito. A

estes segmentos denominaremos blocos ramais dos

alimentadores. Também são iniciados por um equipamen-

to de proteção (geralmente uma chave fusível). Vide Fig 2-

áreas coloridas.

������������������� ���������������������������������� 35

Fig. 2 Unifilar de um alimentador com os blocos ramais identificados

A

B

2a - Como a soma das taxas de falhas dos materiais/equipa-

mentos existentes na topologia em cada trecho após uma

chave até as chaves seguintes ou fim de trechos multiplicadopelo numero de consumidores desligados em cada falha que

desligue a topologia após a chave considerada. Dessa formaestamos associando a taxa de falhas prováveis de ocorrer

com uma idéia de valor que representa a conseqüência defalhas dos materiais no conjunto do bloco 1.

Então podemos escrever :

Conseqüência da falha do bloco iniciado pela chave 1 =

( λ1 x quantidade de consumidores desligados pelas chaves

1,2 e 3) + (λ2 x quantidade de consumidores desligados

pelas chave 2) + (λ3

x quantidade de consumidores desli-gados pela chave 3).

Fazendo :

C1 = quantidade de consumidores desligados pela chave 1C2 = quantidade de consumidores desligados pela chave 2

C3 = quantidade de consumidores desligados pela chave 3

Calim = quantidade de consumidores do alimentador,e calculando a somatória das conseqüências de cada falha

após a chave 1, onde se inclue as conseqüências das cha-ves 2 e 3 e dividindo a soma pela quantidade dos consu-

midores do alimentador, temos :

lim/)...( 332211 CaCCCFECprob λλλ ++=

Chegamos a formula igual do FEC, mas em termos

de um FEC probabilístico do bloco a partir da chave 1,(caso ocorram todas as interrupções que representa o ris-

co de falhas da taxa de falha). Esta relação é valida paraaplicar a qualquer chave do alimentador, inclusive para a

chave de inicio do mesmo, isto é, para o alimentador.

Generalizando a formula, temos :

Calim / )( i chave após prob FEC1

∑=

=n

i

iλonde :

i = chave considerada

n = todas as chaves em serie após a chave i

Para o alimentador, se associarmos uma duração médiadas interrupções representadas pela taxa de falhas do

alimentador ou diretamente ao FEC probabilístico, o produto

nos dará um indicador do DEC probabilístico das interrup-ções consideradas. Este valor representa a não disponibilida-

de média do alimentador (ou bloco) em horas e a confiabilidadenesta unidade pode ser colocada percentualmente em termos

do período considerado. Considerando como período o anocivil de 365 dias e 24 horas, temos;

100*)8760/)X Alim 8760((X Alim Confiab. FECprob−=

FIGURA. 2 - Unifilar de um alimentador com os blocos ramais identificados

Um bloco de ramal pode conter outros blocos meno-res e por isso a identificação do bloco pela sua chave deinicio é muito importante porque, conforme figura 2, umdefeito na rede de alta tensão no ponto A desliga toda atopologia para frente deste bloco, envolvendo o desliga-mento dos consumidores dos blocos menores contidos apartir da chave de inicio do bloco maior. Um defeito em B,nesta figura, desliga somente os consumidores do blocoque contém o ponto B.

O referencial de desempenho de um bloco está vincu-lado a dois parâmetros, conforme figura 3 :

Fig. 3 Detalhe da Fig. 2 – Pontos A e B

Chave 1

Chave 2

Chave 3

λ3λ2

λ1

B

A

FIGURA. 3 Detalhe da Figura 2 – Pontos A e B

1a - Como a soma das taxas de falhas dos materiais/equipa-mentos existentes neste bloco.

λ = taxa de falha de um material ou equipamento em umperíodo de tempo

λ1 = ∑ λ dos materiais e equipamentos existentes entre as

chaves 1 e 3 e as chaves 1 e 2

λ2 = ∑ λ dos materiais e equipamentos existentes após a chave 2

λ3 = ∑ λ dos materiais e equipamentos existentes após a chave 3

O numero total de falhas esperada após a chave 1 é ataxa de falhas do conjunto iniciado pela chave 1 , donde:

3211 λλλλ ++=chaveapós

Porém como pode ser observado na figura 3, nesteexemplo, o bloco iniciado pela chave 1 envolve blocosmenores em seqüência. A soma das taxas de falhas de to-dos estes blocos informa quantas falhas são esperadas noconjunto, porém não informa uma idéia de valor associadacom a conseqüência destas falhas.

��������������������� �!""#36

��� ���������� Ex: Para probabilidade de indisponibilidade no ano de 50

horas, 100 horas, ou 200 horas, considerando 8760 horas

ano, teremos:

Indisponibilidade Confiabilidade

Horas (% do tempo disponível)

50 99,4292

100 98,8584

200 97,7168

Define-se neste trabalho a expressão taxa de falhas do

Alimentador por causas internas, o valor representado pelo

produto das taxas de falha de cada tipo de componente (ma-

teriais e equipamentos) pela quantidade deste tipo de com-

ponente no alimentador. Para uma avaliação da probabilida-

de de falhas no alimentador função das características das

solicitações externas (arvores, descargas atmosféricas, etc),

é necessário ser determinado e vinculado a cada alimentador

taxa de falhas por solicitações ambientais externas. A soma

das taxas de falhas por causas internas e externas, represen-

ta o grau de risco de falha (RF) do alimentador. É um índice

de probabilidade de falha do alimentador calculado com

algoritmo que leva em consideração as características espe-

cificas dos materiais e equipamentos que o compõem e de

sua exposição ao meio ambiente.

RF = (S ( componentes por tipo * taxa de falha do

componente)) + (S taxas de falha do alimentador por cada

tipo de ações externas )

E. Avaliação dos efeitos da manutenção preventivaRealizando a simulação do risco de falha do alimentador

desmembrando a taxa de falha, tanto de materiais e equipa-

mentos como de eventos externos, em duas parcelas, sendo

uma relativa à parcela das falhas de ação somente corretiva

e a outra parcela das falhas evitáveis por ações preventivas,

é possível quantificar probabilisticamente a parcela de ga-

nhos no FEC com a realização da manutenção preventiva.

Caso não seja possível atingir as metas de qualidade fixadas,

estudos de simulação trocando materiais ou padrões da rede

em segmentos ou em todo o alimentador, orientarão onde a

manutenção preventiva é eficaz e onde há necessidade de

ações de reforma de circuitos.

III. CONCLUSÕES

A realização destes estudos depende de aplicativos in-

formatizados para a montagem de grande quantidade de ta-

belas e de manipulação de dados, fator que dificulta a sua

realização manual. Dois aplicativos referenciais foram mo-

delados, com as regras estabelecidas nesse relatório. Um

modelo de geração da Planilha de Informação e Decisão para

montagem da tabela MBC de materiais e equipamentos de

redes de distribuição, e outro para realizar a montagem da

tabela de quantificação de dados físicos da rede por blocosde chaves, respectivas taxas de falhas e FEC provável, apre-

sentando estes dados em planilhas ou telas, para facilitar a

realização de simulações de alterações no circuito.

IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

LIVROS:

[1] Moubray J M. “Reliability-centered Maintenance”. ManutençãoCentrada em Confiabilidade, 1999;

[2] Moubray J M. “ Maintenance Management – A New Paradigm”.Third Annual Conference of the Society of Maintenance &Reliability Professionals. Chicago Illinois. 2 – 4 October 1995;

[3] Moubray J M. “ Maintenance and Product Quality “. InternationalConference on Total Quality. Hong Kong . 16 – 17 November 1989;

[4] Moubray J M. “Developments in Reliability-centered Maintenance“. The Factory Efficiency & Maintenance Show and Conference ,NEC, Birmingham, UK. 27 – 30 September 1988;

[5] Smith A M. “ Reliability-centered Maintenance”. New York,McGraw-Hill. 1993;

[6] Eletrobrás , Desempenho de Sistemas de Distribuição, Vol 3, Ed.Campus.

[7] Lafraia, J.R.B.,”Manual de Confiabilidade, Mantenabilidade e Dis-ponibilidade”, 2001

PERIÓDICOS:

[8] EDF Electricité de France .” Reliability Takes Center Stage “.Trasmission & Distribution. August 2001;

[9] Bonneville Power Administration – “A Case Study – ReliabilityCentered Maintenance.”

[10] Nagao S K.”Gerenciamento da Manutenção Classe Mundial”, SãoPaulo. 28-30 Agosto, 2001;

APOSTILAS:

[11] Souza, M S. “Manutenção Baseada em Confiabilidade”, (apostilaapresentada no curso na Enersul em novembro de 2002).

NORMAS:

[12] NBR 5462, “Confiabilidade e mantenabilidade”, nov. 1994.

LEGISLAÇÃO:

[13] Portaria nº. 046, de 17 de abril de 1978.

[14] Resolução ANEEL no 024, de 27 de janeiro de 2000.

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Desenvolvimento de umSistema para Conservação de Cargas no

Estado do Espírito SantoA. Bianco1, M. Herdade, C.E.V.M. Lopes, R.P. de Magalhães, CEPEL e

A.C. Cortés2, ESCELSA

RESUMO

Este projeto de pesquisa é o resultado do interesse da EspíritoSanto Centrais Elétricas S.A. – ESCELSA em investigar ascaracterísticas, necessidades e potencialidades associadas àimplantação de um sistema especial de proteção comabrangência mais ampla em sua área de concessão. Esse siste-ma, se implantado, deverá responder às contingências extre-mas do Sistema Interligado Nacional que ofereçam risco efe-tivo de colapso à área Rio de Janeiro/Espírito Santo, assegu-rando a preservação de cargas no sistema da ESCELSA.

PALAVRAS-CHAVE

Ilhamento, Sistema Especial de Proteção, Sistemas de Potência

I. INTRODUÇÃO

Os sistemas elétricos de potência apresentam uma

grande complexidade inerente associada às suas dimensões,

continentais em alguns casos, à natureza dos fenômenos

envolvidos e à diversidade de equipamentos que compõem

sua infra-estrutura. Além do compromisso com a técnica,

o planejamento dos sistemas é, de maneira inevitável, su-

jeito a critérios ambientais, econômicos e políticos que

apresentam restrições múltiplas e que podem resultar em

efeitos sobre a confiabilidade e a segurança.

A experiência dos últimos anos demonstrou que, de-

vido a diversos fatores como o crescimento do nível de

utilização das malhas de transmissão e à obsolescência de

instalações e equipamentos, algumas perdas simples po-

dem vir a resultar em desligamentos múltiplos e no conse-

qüente colapso no fornecimento de energia

[1],[2],[3],[4],[5]. Ocorrências dessa natureza ressaltam a

importância de um conceito mais amplo de proteção, apli-

cável na identificação e contenção controlada de situações

especiais, previamente conhecidas e capazes de causar da-

nos significativos à continuidade de operação do sistema

de potência. Esse conceito remete aos sistemas especiais

de proteção [6],[7],[8], também conhecidos como esque-

mas de emergência que, de forma coordenada no âmbito

sistêmico, podem compor a estrutura dos planos de defesa

contra contingências extremas [9],[10],[11].

O objetivo desse trabalho é definir, para as situações

críticas envolvendo grandes perturbações no Sistema In-

terligado Brasileiro (SIN), um conjunto de procedimentos

e critérios a serem considerados pela ESCELSA, quando

da realização de estudos específicos visando estratégias de

conservação do suprimento às cargas no estado do Espíri-

to Santo. São tratados a identificação dessas situações, suas

conseqüências sobre o sistema ESCELSA e as propostas

para conferir maior robustez ao atendimento das cargas no

estado do Espírito Santo.

II. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA

ELÉTRICO

Devido à sua situação eletro-geográfica, o sistema

elétrico do estado do Espírito Santo, apresentado na Figu-

ra 1, é especialmente sensível a grandes perturbações no

SIN. A insuficiência de sua geração própria torna o esta-

do importador de energia através de interligações pouco

flexíveis da ESCELSA com os subsistemas vizinhos:

� a oeste, com o estado de Minas Gerais, através de um

circuito em 230kV entre as subestações Mascarenhas

(ESCELSA) e Conselheiro Pena (CEMIG) - Governa-

dor Valadares (CEMIG);

� ao sul, com o estado do Rio de Janeiro, através de dois

circuitos em 138kV entre as subestações Cachoeiro

(ESCELSA) e Campos (FURNAS);

� na região central, através de três circuitos curtos em

138kV entre as subestações Pitanga (ESCELSA) e Vi-

tória (FURNAS). A transformação 345-138kV em Vi-

tória possibilita a interligação com a subestação Cam-

pos, no estado do Rio de Janeiro, através de dois circui-

tos em 345kV.

1. Centro de Pesquisas de Energia Elétrica, Caixa Postal 68007CEP 21944-970, Rio de Janeiro – RJ ([email protected])2. Espírito Santo Centrais Elétricas S.A., Rodovia BR-101 Norte, km 9.5CEP 29161-500, Carapina, Serra – ES ([email protected])

��������������������� �!""#38

��� ����������

FIGURA 1. Sistema Elétrico do Estado do Espírito Santo

Estão em operação três sistemas especiais de prote-ção [12] associados ao corredor Adrianópolis–Macaé–

Campos–Vitória, em 345kV. Dois desses esquemas coman-dam a abertura de circuitos para prevenir os efeitos de fer-

ro-ressonância na transformação em Vitória. O terceiroesquema previne sobrecargas nos trechos Adrianópolis–

Macaé e Macaé–Campos para a perda simples de um doscircuitos de 345kV, através de uma lógica seqüencial en-

volvendo corte de geração nas usinas termoelétricas nasubestação Macaé 345kV, e corte de carga na CERJ e na

ESCELSA.

III. SISTEMA DE CONSERVAÇÃO DE CARGAS

Apesar de as características do sistema ESCELSA o

tornarem vulnerável às perturbações críticas no SIN, suasituação eletro-geográfica e sua natureza importadora de

energia podem ser propícias à adoção de medidas de isola-mento com, provavelmente, poucas conseqüências para o

sistema externo.

A. Benefícios do IlhamentoA abertura das linhas de interligação nas subestações

Pitanga, Cachoeiro e Mascarenhas são, no cenário atual,

suficientes para promover a separação da ESCELSA do

SIN, isolando-a de qualquer processo degradativo origi-

nado externamente. Esse processo seria aplicável, por

exemplo, durante eventos como os de 11 de Março de 1999[3], e 21 de Janeiro de 2002 [5], ambos de origem remota

para a ESCELSA e que levaram as regiões S, SE e CO aocolapso. O processo de separação controlada em ilhas elé-

tricas apresenta as seguintes características:• para o sistema interno à ilha: conservação dos consumi-

dores prioritários; continuidade em operação das princi-pais subestações e linhas de transmissão; preservação da

reserva girante;

• para o sistema externo à ilha: auxílio ao processo de re-composição fluente; representar o corte de um bloco de

carga que pode contribuir para sua recuperação.

O processo de ilhamento pressupõe que ambos os sis-temas, interno e externo, sejam capazes de operar de ma-

neira estável quando separados. Instabilidade angular, detensão e controle podem ocorrer após o ilhamento tornan-

do, portanto, necessária uma análise extremamentecriteriosa e exaustiva para assegurar condições de sucesso

ao processo de separação.

B. Diretrizes PrimáriasConceitualmente, busca-se que o sistema de conser-

vação de cargas atenda ao seu propósito através do máxi-

mo aproveitamento conjunto em Robustez, Confiabilidade,Segurança e Simplicidade. Restrições, de natureza práti-

ca ou econômica, impõem limites à busca do desempenhoextremo nesses itens. Todavia, o melhor compromisso en-

tre a qualidade funcional de um sistema especial de prote-ção e a viabilidade de sua implantação orientarão seu pro-

jeto. Nesse sentido, são propostas as seguintes diretrizes

aplicáveis ao sistema ESCELSA:

• preservação de malhas-base em 138kV, mantendo o sis-tema ESCELSA menos segmentado na subtransmissão,

interligando as principais usinas e colaborando com o

processo de recomposição;

• redução do número de pontos de seccionamento, resul-tando em menor investimento nos dispositivos de

monitoração e atuação, menor número de canais comcomandos de abertura e, conseqüentemente, menor ris-

co de falha na abertura de disjuntores;

• redução do número de topologias possíveis para a ilha,

resultando em lógicas de ilhamento com menor comple-xidade, facilitando os estudos futuros de manutenção e

atualização funcionais;

• corte de carga seletivo após a formação da ilha irá ga-

rantir a regulação necessária de tensão e freqüência nailha, além da preservação dos consumidores prioritários.

Esta seleção de cargas para corte após a formação da

ilha tem sua limitação por condições de tensão. A forteredução necessária da carga para manter o equilíbrio com

������������������� ���������������������������������� 39

a geração da ilha, leva a uma distribuição ampla de corte

que pode ocasionar condições indesejáveis de tensão em

algum pontos, resultando em subtensão em algumas regi-ões (numerosos pontos de carga) e sobretensão em outras

(regiões de carga muito baixa). Em algumas situações estefato limita a seletividade do corte, tornando necessário a

definição de um corte de carga que considere também ummelhor perfil da tensão.

IV. METODOLOGIA APLICADA

O desenvolvimento de um sistema de conservação decargas para o sistema ESCELSA seguiu uma metodologia

de trabalho orientada para uma análise ampla das condi-ções que envolvem o sistema e a avaliação crítica do seu

impacto. As seguintes atividades descrevem tal processo:• Levantamento de Informações Iniciais;

• Determinação dos Cenários de Operação;• Definição Inicial (Primária) das Ilhas;

• Identificação das Contingências Críticas do SIN;• Monitoração dos Impactos;

• Análise do Comportamento das Ilhas;

• Definição Final das Ilhas;• Análise dos Impactos sobre as Unidades Geradoras In-

ternas à ESCELSA;• Obtenção de um novo caso em Regime Permanente, com

apenas a ilha representada, para estudos de controle detensão e simulação de contingências internas para verifi-

cação de robustez.

As definições Inicial e Final das Ilhas decorrem dos

estudos se iniciarem por condições em regime permanen-te, a partir dos quais efetua-se a análise da topologia, sele-

cionando-se a configuração a ser adotada. Com estatopologia inicial são processados os estudos em regime

permanente. Nesta fase dos estudos, a formação de umaúnica ilha para conservação das cargas da ESCELSA apre-

sentou-se com boas condições operativas.Na realização dos estudos dinâmicos, nos quais as si-

mulações buscam um colapso do sistema e o conseqüenteacionamento do esquema para conservação das cargas, a

ilha única não se mostrou estável em algumas situações, o

que tornou necessário a definição de uma nova configura-ção para a ilha, que passou a ser tratada como definitiva.

Resumidamente, o projeto do sistema de conservaçãode cargas e suas futuras atualizações deverão ser realizados

conforme o encadeamento de atividades da Figura 2.

V. ANÁLISE EM REGIME PERMANENTE

A ESCELSA forneceu índices numéricos, segundo

critérios técnicos e comerciais da companhia, orientando apriorização do restabelecimento dos consumidores a partir

das subestações nas suas três regiões, Grande Vitória, Norte

e Sul. Para o sistema de conservação de cargas, arbitrou-

se que as subestações com menor índice de prioridade se-

riam as candidatas preferenciais ao corte para restabelecero balanço carga-geração após a separação.

A. Cenários Operativos ConsideradosA análise considerou o horizonte de planejamento 2003-

2005, nos cenários de Fevereiro e Junho em carga pesada e

leve. Foram avaliados cenários alternativos para o ano 2005,com a introdução de usinas termelétricas (UTE) no sistema

ESCELSA: UTE Vitória e UTE Norte Capixaba com, res-

pectivamente, 500MW e 250MW de geração nominal.

B. Configuração Preliminar Pós-IlhamentoA análise do comportamento em regime permanente,

considerando um conjunto de 25 cenários, as cargas prefe-renciais e os pontos de separação com relação ao SIN,

apontou a viabilidade de preservação de uma única grandeilha no sistema ESCELSA.

FIGURA 2. Desenvolvimento do Sistema para Conservação deCargas

Em praticamente todos os cenários analisados, são

preservadas as cargas prioritárias alimentadas pelassubestações Bento Ferreira, Praia, Ibes e Vitória, a partir

das usinas Mascarenhas, Suiça, Rio Bonito, Rosal e MunizFreire. As exceções ocorrem quando da necessidade de se

equalizar o perfil de tensão e nos cenários de 2005 com aentrada das UTEs, que permitem um considerável aumen-

to do montante de carga preservado.Sem UTEs, o percentual de corte de carga após a for-

mação da ilha é da ordem de 87%. A presença da UTE

Vitória, agregando 500MW ao sistema, propicia um cortemédio de 53%. Em todos os casos, é mantida em operação

uma porção substancial da estrutura de subtransmissão daESCELSA, com perfil de tensão satisfatório. Contudo, são

apontadas as seguintes observações:• a preservação do trecho Cachoeiro do Itapemirim-Cas-

telo-Muniz Freire não é uma certeza. A permanência destaregião na ilha dependerá do comportamento dinâmico

da UHE Muniz Freire;• o mesmo aplica-se para o extremo oeste, desde Cachoeiro

do Itapemirim até a UHE Rosal, cujo desempenho dinâ-

mico tende a ser decisivo;• espera-se que a entrada em operação das UHEs São João

e São Joaquim agregue robustez à região;

��������������������� �!""#40

��� ���������� • não foram observados efeitos prejudiciais à operação do

SIN após a formação da ilha na ESCELSA.

• em condições de carga reduzida é necessário também a

abertura de linhas para auxiliar o controle da tensão, sen-

do para isso escolhidas aquelas com melhor efeito (li-

nhas mais longas), mas que não comprometam significa-

tivamente a confiabilidade da ilha.

VI. ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DINÂMICO

A partir do banco de dados para simulação de transi-

tórios eletromecânicos do ONS, foram revistas ou inseridas

informações que inexistiam para a representação dos regu-

ladores e da proteção dos geradores da ESCELSA, além

da proteção de sobretensão e de distância.

A. Contingências CríticasA investigação do comportamento dinâmico requer a

identificação das contingências críticas do SIN capazes de

provocar um colapso na área RJ/ES. Há diversas emergên-

cias severas no SIN que oferecem risco de colapso à ope-

ração da área RJ/ES, principalmente por oscilações

eletromecânicas e sobretensões. Contudo, a perda do sis-

tema de 765kV de Itaipu, conjugada ou não à perda do elo

de corrente contínua (C.C.), é a mais severa e pode ocor-

rer tanto por uma falta direta nos seus equipamentos ou

por degradação da tensão nas subestações do lado recep-

tor, resultantes de defeitos críticos em outras regiões do

SIN. A perda de transmissão em Cachoeira Paulista 500kV

também pode levar a área ao colapso. A gravidade da per-

turbação será amplificada se, conjuntamente à perda de cir-

cuitos, houver o desligamento da Usina Termonuclear

(UTN) Angra II. Em algumas situações, a saída simples

desse turbogerador causa oscilações que podem levar a

área RJ/ES e o SIN ao colapso. Considera-se especialmente

crítica para a ESCELSA a perda dupla no corredor de

345kV Adrianópolis-Macaé-Campos-Vitória. Nesse caso,

registra-se a súbita depressão da tensão na subestação Vi-

tória 138kV. Foram, portanto, selecionados três seqüênci-

as de eventos, com natureza e efeitos distintos:

CONTINGÊNCIA 1

• Curto-circuito em Cachoeira Paulista 500kV;

• Subseqüente abertura de dois circuitos de 500kV da SECachoeira Paulista;

• Abertura do circuito Cachoeira Paulista-Grajaú (cenári-

os posteriores a junho de 2003);

• Abertura do circuito Ouro Preto-Vitória (cenários pos-

teriores a junho de 2003;

• Cortes de geração na área RJ/ES, em função do cenário,

para compor a contingência múltipla.

CONTINGÊNCIA 2

• Curto-circuito em Itaberá 765kV.

• Subseqüente perda do corredor de 765kV.

CONTINGÊNCIA 3

• Curto-circuito em Vitória 345kV.

• Abertura de Campos-Vitória 345kV, c1 e c2;

• Abertura do circuito Ouro Preto-Vitória (cenários pos-

teriores a junho de 2003).

Com exceção da terceira, estas contingências tendem a

provocar um colapso no SIN e se manifestam na área RJ/ES

com oscilações eletromecânicas, com efeito sobre a tensão,

capazes de levar à operação dos relés de sobretensão de

linhas e capacitores e queda de freqüência. Estas variações

tornam necessária a busca por diferentes tipos de monitoração

para se identificar com maior precisão a natureza dos even-

tos em andamento, indicando ser ou não uma situação para

se acionar o esquema de ilhamento da ESCELSA.

A caracterização suficientemente clara destas contin-

gências, através da observação do comportamento de gran-

dezas como tensão e freqüência é obtida através das simu-

lações dinâmicas e demandam um elevado número de ca-

sos a serem processados.

Além desta busca, também é necessário a confirmação

de que outras contingências, para as quais não haveria ne-

cessidade do ilhamento, não resultariam em diagnósticos

semelhantes àquelas que efetivamente deflagram o processo

na ESCELSA. Esta fase dos estudos é de extrema impor-

tância para a segurança da lógica a ser implantada. Conside-

rando o elevado número de combinações de contingências

possíveis do SIN, esta busca também exige uma elevada

capacidade de processamento. Todavia, esse processo é de

fundamental imprtância para o estabelecimento de parâmetros

e valores de variáveis que formam o núcleo da lógica.

B. Restrições à Ilha Única

A análise preliminar em regime permanente, buscou

explorar ao máximo os benefícios do ilhamento, mantendo

o sistema ESCELSA coeso em uma única ilha. A investi-

gação do comportamento dinâmico, contudo, indicou que

tal formação da ilha mostrava-se inviável sob certas cir-

cunstâncias: a região de Rosal apresenta tendência para

abertura de linhas como conseqüência da operação dos relés

de distância, o que leva esta usina a perder sincronismo

comprometendo a estabilidade da grande ilha; o mesmo

efeito ocorre na região da UHE Muniz Freire. Também

mostrou-se inviável manter os subsistemas derivados de

Guarapari e Cachoeiro do Itapemirim. Foram, portanto,

configurados três subsistemas independentes, na situação

pós-ilhamento: Ilha Principal, Ilha Rosal e Ilha Muniz Freire.

Na Figura 3 é apresentada a configuração básica para a

Ilha Principal, no cenário de Fevereiro de 2003.

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FIGURA 3. Ilha Principal – Fevereiro de 2003

CONDIÇÃO 3

• tensão em Pitanga < 0.80 p.u. por dois ciclos consecuti-

vos crescentes.

D. Simulação do DesempenhoSerão apresentados resultados para o cenário de Fe-

vereiro de 2003 em carga pesada, para a perda dos circui-tos 1 e 2 Cachoeira Paulista-Adrianópolis 500kV e da UTN

Angra II.A Figura 4 ilustra os efeitos dessa severa perturbação

para a área RJ/ES. Observa-se uma oscilação crescente natensão conduzindo o sistema para o colapso. A atuação do

sistema de conservação de cargas, prevê a monitoração da

tensão em Pitanga 138kV e da taxa de variação da fre-qüência (df/dt) na UHE Mascarenhas. Nesse caso, a taxa

df/dt atinge o valor de ajuste (2.8Hz/s) no instante t=5.4s,habilitando a primeira sinalização para ação do sistema.

Pouco depois, no instante t=5.6s, a segunda sinalização éobtida, com a tensão em Pitanga 138kV atingindo 0.80p.u..

Há, portanto, informações suficientes (CONDIÇÃO 1) parainiciar o processo de ilhamento e corte de cargas.

FIGURA 4. Efeito sobre as Tensões em Pitanga 138kV e a Taxa de Variação da Freqüência (df/dt) na UHE Mascarenhas

C. Condições para AtuaçãoPara o ilhamento do sistema ESCELSA, as variáveis

de monitoração com maior efetividade são:• df/dt (taxa de variação da freqüência) da UHE

Mascarenhas;• tensão da subestação Pitanga 138kV.

O processo de ilhamento será ativado quando ocorrer umadas condições abaixo:

CONDIÇÃO 1 – ocorrência simultânea de:• df/dt da usina de Mascarenhas > 2.8 Hz/s

• tensão em Pitanga < 0.80 p.u.• Mascarenhas;

• tensão da subestação Pitanga 138kV.

O processo de ilhamento será ativado quando ocorrer umadas condições abaixo:

CONDIÇÃO 1 – ocorrência simultânea de:• df/dt da usina de Mascarenhas > 2.8 Hz/s

• tensão em Pitanga < 0.80 p.u.

CONDIÇÃO 2

• df/dt da usina de Mascarenhas > 4.0 Hz/s

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As novas simulações, evidenciando a ação deilhamento e corte de cargas no sistema ESCELSA, sãoapresentadas na Figura 5. Considerando a temporizaçãopadrão para atuação do sistema, isto é 0.260s, ocorrerá noinstante t=5.86s a abertura das interligações da ESCELSA,a subdivisão das três ilhas e o corte de cargas. Pode-seobservar que os subsistemas operam de maneira estável.Na Ilha Principal, observa-se a rápida recuperação da ten-são em Carapina 138kV e a manutenção do sincronismoentre as UHEs Mascarenhas e Suiça. As ilhas de MunizFreire e Rosal apresentam desempenho aceitável após oilhamento, contudo, existem dúvidas sobre a permanênciadessas ilhas devido à operação da proteção de distânciaem algumas das simulações. Neste caso específico, ocorrea abertura da linha Braminex-Alegre, na Ilha Rosal.

O balanço carga-geração nas ilhas passa a ter o perfildescrito na Tabela 1 indicando ser possível, com a ação dosistema de conservação de cargas, preservar 18% da cargada ESCELSA, nas condições simuladas.

TABELA 1

Balanço Carga-Geração Pós-IlhamentoFevereiro 2003, Carga Pesada

Ilha Geração (MW) Carga (MW)

Principal 164.90 158.95

Muniz Freire 23.60 21.90

Rosal 46.90 43.10

Com relação ao controle de tensão pós-ilhamento éimportante, na Ilha Principal, efetuar o corte imediato detodos os bancos de capacitores em operação, exceto emPraia (permanecem 2x10.8MVAr) e em Carapina 2(2x8.1MVAr). São ainda desligados os circuitos Carapina–Pitanga (2x), João Neiva–Bragussa T–Arcel, Bragussa T–Bragussa e João Neiva–Linhares, Linhares–Jaguaré Tap–Nova Venécia, Nova Venécia–São Gabriel–Mascarenhas.

Constatou-se, ainda, que o desempenho da freqüên-cia na Ilha Principal sofre forte influência do controle detensão. A inclusão de apenas um banco de capacitores(8.1MVAr) afeta a resposta da freqüência, em razão daelevação da tensão e seu efeito sobre a carga do sistema depequeno porte no qual consiste a ilha. Esse fato ressalta aimportância da elaboração de uma programação específicana lógica do sistema de conservação de cargas.

FIGURA 5. Efeito das Ações de Ilhamento e Corte de Cargas

VII. PROPOSTA PARA IMPLANTAÇÃO

Com o desenvolvimento da tecnologia digital aplica-da aos sistemas de potência, tornou-se viável a implanta-ção de redes de controle e supervisão utilizandoControladores Lógicos Programáveis – CLP, capazes deexecutar funções ou lógicas pré-determinadas. Quandoassociadas a equipamentos de teleproteção, a saída destaslógicas podem comandar remotamente a abertura e fecha-mento de disjuntores, efetuar a troca de tapes em transfor-madores e mudar o ponto de operação de uma usina den-tro de padrões bastante confiáveis.

A. Sumário das LógicasPropõe-se, com base na análise apresentada, que seja

considerada a implantação do sistema de conservação decargas através de um CLP, instalado no Centro de Opera-ções da ESCELSA, na SE Carapina, com a funcionalidadeilustrada na Figura 6 e descrita a seguir:• a partir da tensão da SE Carapina, que o CLP transfor-

ma em uma função df/dt, e do sinal remoto de tensãoV

RMS proveniente da SE Pitanga, uma lógica indicadora

de ilhamento verifica (atualização em 5ms) a ocorrênciade ao menos uma das três condições (seção VI) que de-terminam a necessidade de ilhamento, a partir da qual éenviada a Ordem de Execução 1 para a lógica de Pro-gramação de Ilhamento e Corte de Carga (f1).

• a lógica de Programação de Ilhamento e Corte de Cargacalcula o balanço carga-geração (atualização em 5s) base-ado nas informações de potência gerada pelas UHEs deMascarenhas, Suiça, Rio Bonito, Muniz Freire e Rosal eemitirá telecomandos para separação do sistemaESCELSA em ilhas pré-definidas, desligamento de ban-cos de capacitores, corte de carga para as SEs que parti-cipam desse sistema especial de proteção e, quando ne-cessário, desligamento de linhas para controle de tensão.

• a partir dos sinais relativos à atuação da proteção nas SEs Vi-tória e Campos, será gerada uma Ordem de Execução 2 paraacionar a lógica de Programação de Corte de Carga (f2).

• a lógica de Programação de Corte de Carga calcula obalanço carga-geração (atualização em 5s) baseado nasinformações de potência gerada pelas UHEs deMascarenhas, Suiça, Rio Bonito, Muniz Freire e Rosaleemitirá telecomandos para desligamento de bancos decapacitores e corte de carga nas SEs que participam des-se sistema especial de proteção.

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df/dt

Carapina

VRMS

Pitanga

Atuação de RelésLT 345kV

Vitória-Campos

f1 (Pger_ESCELSA)

f2 (Pger_ESCELSA)

Pger_ESCELSA

UHE MascarenhasUHE SuíçaUHE Rio BonitoUHE Muniz FreireUHE Rosal

LÓGICA

INDICADORA

DE

ILHAMENTO

Programação deIlhamento eCorte de Carga

Programação deCorte de Carga

Telecomandos

LÓGICAPRINCIPAL

CLP SE Carapina

Ordem de Execução 1

Ordem de Execução 2

5s

5ms

Transferência de disparo

VRMS

FIGURA 6. Funcionalidades do CLP em Carapina

VIII. OPERAÇÃO PÓS ILHAMENTO

Após a formação da ilha, o controle de freqüência passaa ser realizado pela usina de Mascarenhas, com controle ma-nual da excitação das máquinas que deverão estar, preferenci-almente, operando em joint-control. O Centro de Operaçãodo Sistema deve estabelecer as regras para a atuação do ope-rador quando da operação isolada, incluindo o máximo des-vio da freqüência a partir do qual se atua na geração, tendo-seainda em mente a necessidade de preservação de uma peque-na folga na geração para correção de pequenos impactos.

Caso ocorra crescimento da carga e não se disponhade geração suficiente para este atendimento, o Centro deOperação do Sistema deve considerar a possibilidade deum novo corte de carga, de forma a se manter as condi-ções mínimas para controle da freqüência. Espera-se, con-tudo que tal evento venha a ocorrer apenas em situaçõesextremamente severas do SIN, com demora na normaliza-ção da conexão da ESCELSA com o restante do sistema.

O controle da tensão passa a ser feito também poroperação manual dos reguladores de tensão das usinas sobcoordenação do Centro de Operação da Escelsa e da ma-nipulação manual de bancos de capacitores. A operaçãodos tapes dos trasnformadores pode ser mantida em auto-mático ou passada para manual. Para melhor eficiência docontrole da ilha e verificação da melhor forma de se operarestes recursos, devem ser simulados casos em regime per-manente, com a ilha isolada do sistema interligado.

Para a normalização da ESCELSA com o restante dosistema interligado, devem ser avaliadas as condições defechamento do paralelo, onde o sincronismo do sistemadeve ser feito sem levar a ilha ao colapso, por solicitaçãode geração às suas máquinas em montante não suportávelpelas mesmas ou por oscilação. Também deve ser avaliadoo fluxo de potência reativa na interligação da ilha com osistema. Este tipo de estudo normalmente envolve a parti-cipação do ONS, que deve considerar também as condi-ções suficientes para esta normalização.

IX. CONCLUSÕES

A concepção básica do sistema de conservação decargas envolve a introdução de um Controlador LógicoProgramável com funcionalidade específica, no qual seriaprocessada a identificação da necessidade de ilhamento dosistema ESCELSA e a programação das ações de ilhamentoe ajuste do balanço carga-geração e da tensão.

O desenvolvimento das configurações operacionalmenteviáveis a serem formadas no sistema ESCELSA após suaseparação do SIN, envolveu um número elevado de simula-ções na busca de ajustes apropriados de tensão e freqüênciaa partir de medidas corretivas como corte de cargas, desli-gamento de bancos de capacitores e abertura de circuitos.Foram descritos três subsistemas, ou ilhas, simultaneamenteviáveis: Ilha Principal, Ilha Muniz Freire e Ilha Rosal. Iden-tificou-se como essencial o aprimoramento do processo decontrole de tensão através das medidas corretivas relaciona-das, pois os desvios de freqüência são amplificados pelo efeitoda tensão sobre o consumo das cargas. Foi observado que oevento de perda dos circuitos de 345kV, incluindo a LT fu-tura Ouro Preto-Vitória, pode ser tratado, sob a ótica daESCELSA, através do corte de cargas programado no âm-bito do sistema especial de proteção sem, contudo, implicarna separação com relação ao SIN.

X. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] C.W. Taylor, D.C. Erickson, “Recording and Analyzing the July 2Cascading Outage”, IEEE Computer Applications in Power, Vol.9, No. 3, Jul. 1996.

[2] Western Systems Coordinating Council, “Disturbance Report forthe Power System Outage that Occurred on the WesternInterconnection – August 10 1996”, Oct. 1996.

[3] Grupo Coordenador para Operação Interligada, “Análise da Per-turbação do Dia 11/03/99 às 22h16min”.

[4] National Electricity Market Management Company, “Review ofPower System Separation and Electricity Supply Interruption – 15January 2001”, Version no. 1.1, Sep. 2001.

[5] ONS, “Relatório Consolidado da Ocorrência do Dia 21/01/2002,às 13h34min”, Nota Técnica NT 011/2002.

[6] E.K. Nielsen, M.E. Coultes, D.L. Gold, J.R. Taylor, P.J. Traynor,“An Operations View of Special Protection Systems”, IEEETransactions on Power Systems, Vol. 3, No. 3, Aug. 1988.

[7] P.M. Anderson, B.K. LeReverend, “Industry Experience with SpecialProtection Schemes – IEEE/CIGRÉ Committee Report”, IEEETransactions on Power Systems, Vol. 11, No. 3, Aug. 1996.

[8] CIGRÉ TF 38.02.19, “System Protection Schemes in PowerNetworks”, Final Draft, V5.0, Jul. 2000.

[9] X. Vieira Filho, L.A.S. Pilotto, N. Martins, A.R.C. Carvalho, A.Bianco, “Brazilian Defense Plan Against Extreme Contingencies”,Panel Session on Recent Experience with Emergency StabilityControls, IEEE PES 2001 Summer Meeting, Vancouver, Jul. 2001.

[10] G. Trudel, S. Bernard, G. Scott, “Hydro-Québec’s Defense PlanAgainst Extreme Contingencies”, IEEE Transactions on PowerSystems, Vol. 14, No. 3, Aug. 1999.

[11] GRTN INSIX-1006, “Piani di Difesa del Sistema Elettrico”, Publi-cação INSIX-1006, Rev. 00, Maggio, 2000.

[12] ONS, “Banco de Dados de Sistemas Especiais de Proteção”, Rela-tório DPP/GPE-073/2000.

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RESUMO

As baterias são elementos vitais na confiabilidade de umaSubestação, pois é através da mesma que toda a supervisão epontos de controles mantém seu funcionamento numa falhade energia Para tanto, a bateria deve estar sempre em condi-ção de operação adequada, sendo imprescindível conhecer oseu estado de degradação. Mundialmente tem-se se estudo aaplicação de métodos como impedância e condutância na ava-liação de baterias chumbo-ácidas estacionárias.

Este trabalho tem como objetivo apresentar os resultados ob-tidos na avaliação de baterias de seis Subestações e discutir apotencialidade destas metodologias na manutenção corretivae ou preditiva de baterias, correlacionando-as com as técnicasora existentes.

PALAVRAS-CHAVE

Baterias Chumbo-ácidas Estacionárias; Condutância eImpedância.

I. INTRODUÇÃO

As baterias são elementos vitais na confiabilidade de

uma Subestação, pois é através da mesma que toda a super-visão e pontos de controles mantém seu funcionamento numa

falha de energia. Para tanto, a bateria deve estar sempre emcondição de operação adequada, sendo imprescindível co-

nhecer o seu estado de degradação. Atualmente a avaliaçãodas baterias é efetuada através do ensaio de capacidade, que

consiste em se promover à descarga das baterias durante umtempo não inferior a 3 horas. Durante este período é neces-

sário à desconexão da bateria do sistema de energia o que,

além de deixar todo o sistema de operação e supervisão dasubestação sem reserva de energia durante cerca de 24hs

(devido ao tempo necessário para completa recarga das ba-terias), também contribui para a diminuição da vida útil da

bateria. Toda a execução deste ensaio (descarga/carga) exi-ge ser acompanhado por um técnico.

Tem-se observado que nos últimos 10 anos, está ha-vendo um esforço mundial na busca de metodologias que:

avaliem o estado de degradação da bateria num curto perí-odo de tempo, sem a necessidade de desconectar as bateri-

as dos equipamentos consumidores, não contribuindo para

seu envelhecimento precoce e também que seja de preçoacessível. Uma das metodologias que vem sendo muito

pesquisada é a avaliação da resistência interna da bateria.Diante deste cenário, em agosto de 2001 o CPqD e a

Light iniciaram um Plano de Pesquisa para se estudar as

técnicas de impedância e condutância como alternativas

ao teste de capacidade. Para efetuar este estudo foi seleci-onado seis Subestações da Light localizadas na cidade do

Rio de Janeiro. Estas Subestações são compostas por ba-terias de três diferentes fabricantes e modelos.

Periodicamente foi efetuada nos bancos de baterias de

cada Subestações medida de condutância, impedância, densi-dade, tensão de flutuação e ensaio de capacidade. Este traba-

lho tem como objetivo apresentar os resultados obtidos naavaliação das seis Subestações e discutir a potencialidade destas

metodologias na manutenção corretiva e ou preditiva de ba-terias, correlacionando-as com as técnicas ora existentes.

II. EXPERIMENTAL

A localização das Subestações e características das

baterias avaliadas estão relacionadas na Tabela 1.

TABELA 1

Localização das Subestações

Subestação Fabricante Data de Data deda Bateria Fabricação Instalação

Fundão A 07/00 04/01

Vila Valqueire A 06/97 09/97

Washington Luiz B 09/97 11/97

Uruguai B 04/01 06/01

Jardim Botânico (2 bancos iguais) C 06/99 12/99

Santa Luzia (2 bancos) C 08/99 10/99

B 11/92 01/93

Em todos os bancos de baterias das subestações fo-

ram efetuadas medidas de densidade, tensão de flutuação,impedância e condutância. O teste de capacidade foi reali-

zado somente em alguns bancos. A primeira avaliação foiefetuada em outubro de 2001 e a segunda em maio de 2002.

A. ImpedânciaCom a bateria em flutuação, através do equipamento de

impedância aplicou-se uma corrente alternada superior a 4A@ 60Hz no banco e mediu-se a impedância de cada elemento.

Na primeira avaliação é calculado o valor médio deimpedância para cada modelo de bateria. A partir desta

avaliação este valor deve ser considerado como sendo oValor de Referência de Impedância (VRI). Cabe ressaltar

Metodologias Alternativas para Avaliação deBaterias: Uma Experiência na LIGHT

M. F.N. C. Rosolem,CPqD S. G. Carvalho ,Light P. C. M. Roza ,Light J. T. B. Junior, Light e. R. F. Beck, CPqD

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que, caso um ou mais elementos apresente valor de

impedância cerca de 20% superior aos demais, estes valo-

res não devem ser considerados no cálculo do valor de

impedância médio do banco. Elementos que apresentaram

valores de impedância 20% superior ao VRI são conside-

rados problemáticos.

A homogeneidade das medidas de impedância de cada

banco é observada conforme a seguinte regra: os valores

obtidos podem variar ±20% do VRI.

B. CondutânciaCom a bateria em flutuação, através do equipamento

de condutância aplicou-se em cada elemento uma corrente

com frequência de 22Hz e amplitude de 1A, obtendo-se a

condutância de cada elemento.

Na primeira avaliação é calculado o Valor de Referên-

cia de Condutância (VRC) para cada modelo de bateria. Este

valor é obtido a partir da média das maiores medidas iniciais

correspondente à cerca de 40% do tamanho do banco. A

partir desta avaliação este valor deve ser considerado como

sendo o Valor de Referência de Condutância (VRC).

Elementos apresentando valores de condutância no in-

tervalo de 60% a 80% do VRC representam um sinal de

alerta, indicando que a bateria está com algum problema.

Neste caso, é recomendado efetuar um teste de capacidade.

Elementos que apresentam valores de condutância abaixo

de 60% do VRC devem ser substituídos imediatamente.

A homogeneidade das medidas de condutância de cada

banco é observada conforme a seguinte regra: para bateri-

as com até três anos de idade os valores obtidos podem

variar, no máximo, ±5% do VRC. Para baterias com mais

de três anos os valores obtidos podem variar, no máximo,

±10% do VRC.

C. Teste de CapacidadeO teste de capacidade foi realizado em pelo menos

um banco de bateria de cada fabricante. A descarga foi

efetuada no regime de 3 horas, até a tensão final de 1,75 V

por Elemento (VPE). Este ensaio foi conduzido conformeprocedimento descrito na Norma NBR 14199.

III. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A. Subestação FundãoNa segunda avaliação os elementos apresentaram uma

redução dos valores de densidade, mas a grande maioriacontinua apresentando valores superiores ao valor máxi-

mo especificado. Cabe ressaltar que, no momento destasmedidas, o nível do eletrólito se encontrava entre as mar-

cas de mínimo e máximo.

Os elementos desta bateria apresentaram valores detensões de flutuação equalizados.

Na primeira avaliação o elemento número 11 apre-

sentou valor de condutância de 35% do VRC e valor de

impedância de 320% do VRI, como se pode observar nas

Figuras 1 e 2. Os demais elementos estão adequadamenteapresentando valores de condutância superior a 90% do

VRC e inferior a 120% do VRI. Na segunda avaliação estequadro permaneceu praticamente constante sendo que o

valor de condutância do elemento número 11 abaixou para29% do VRC.

FIGURA 1: Medidas de Condutância - Subestação Fundão

FIGURA 2: Medidas de Impedância – Subestação Fundão

No teste de capacidade (realizado em outubro de 2001)

este mesmo elemento número 11 apresentou capacidadede 10% em relação ao valor nominal. Após este elemento

ter atingido a tensão final de descarga, o mesmo foi retira-do do banco e prosseguiu-se com o ensaio de capacidade.

A capacidade do banco sem este elemento foi de 94% emrelação ao valor nominal, como é apresentado na Figura 3.

Desta forma, o elemento que apresentou valores decondutância abaixo de 60% e impedância acima de 120%,em relação aos Valores de Referência, confirmou estar comsua vida útil comprometida, demonstrando a relação entreas medidas de condutância/impedância e capacidade. Re-comenda-se a substituição imediata deste elemento.

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B. Subestação Vila ValqueiraNa segunda avaliação todos os elementos apresenta-

ram valores de densidade superior ao valor máximo espe-cificado. Cabe ressaltar que, no momento destas medidas,o nível do eletrólito se encontrava entre as marcas de míni-mo e máximo.

Os elementos desta bateria apresentaram valores detensão de flutuação equalizados.

O elemento número 9, nas duas avaliações apresentouvalor de condutância de 81% do VRC e valor de impedânciade 124% do VRI na primeira avaliação e 112% do VRI nasegunda avaliação. O elemento número 32 na primeira ava-liação apresentou valor de condutância de 85% do VRC, osdemais elementos estão adequadamente apresentando valo-res de condutância acima de 90% e impedância abaixo de105%, em relação aos Valores de Referência.

No teste de capacidade (realizado em maio de 2002)o elemento número 32 foi o que atingiu primeiro a tensãofinal de descarga no tempo de 3 horas. Este banco apre-sentou uma 98% em relação ao valor nominal.

O elemento número 9 apresentou menor valor de con-dutância e maior valor de impedância nas duas avaliações,no entanto no teste de capacidade o mesmo apresentoucapacidade superior a 100% do valor nominal. O aumentoda resistência interna deste elemento provavelmente estárelacionado com algum início de processo de corrosão lo-calizado nos pólos ou barras de conexação. Este processocorrosivo não foi detectado no teste de capacidade umavez que o mesmo avalia a quantidade de energia armaze-nada nas placas.

C. Subestação W. LuizNas duas avaliações todos os elementos apresenta-

ram valores de densidade superior ao valor máximo espe-cificado. Cabe ressaltar que, no momento destas medidas,o nível do eletrólito se encontrava entre as marcas de míni-mo e máximo.

Na primeira avaliação o elemento 18 apresentou va-lor de tensão de flutuação no limite inferior da faixaadmissível, conforme especificado na NBR 14199. No en-tanto na segunda avaliação a tensão deste elemento apre-sentou valor próximo à média. O aumento desta tensão

provavelmente ocorreu devido à recarga deste banco efe-tuada após o ensaio de capacidade realizado em outubrode 2001. Os demais elementos desta bateria estão com ten-são de flutuação equalizada.

Todos os elementos estão adequadamente apresen-tando valores de condutância igual ou superior a 90% doVRC e inferior a 110% do VRI.

Este banco apresentou capacidade de 136% em rela-ção ao valor nominal. Esta bateria com capacidade nomi-nal 200Ah, por questões de construção específica destefabricante, possui 12,5% de capacidade extra.

D. Subestação UruguaiNa primeira avaliação cinqüenta por cento dos ele-

mentos apresentaram valores de densidade superior ao va-lor máximo especificado. Na segunda avaliação todos oselementos apresentaram valores de densidade superior aovalor máximo especificado.

Os elementos desta bateria apresentaram valores detensões de flutuação equalizados.

Todos os elementos, nas duas avaliações, estão ade-quadamente apresentando valores de condutância igual ousuperior a 90% do VRC e inferior a 110% do VRI.

E. Subestação Jardim BotânicoTodos os elementos dos Bancos 1 e 2 apresentaram,

nas duas avaliações, valores de densidade superior ao va-lor máximo especificado. Cabe ressaltar que, no momentodestas medidas, o nível do eletrólito se encontrava entre asmarcas de mínimo e máximo.

Os elementos dos Bancos 1 e 2 apresentaram valoresde tensão de flutuação equalizados.

Todos os elementos dos Bancos 1 e 2, nas duas avalia-ções, estão adequadamente apresentando valores de condu-tância superior a 85% do VRC e inferior a 110% do VRI.

O Banco 2 apresentou um capacidade de 117% em rela-ção ao valor nominal, (ensaio realizado em outubro de 2001).

F. Subestação Santa LuziaEsta subestação tem dois bancos diferentes em paralelo.

A capacidade dos bancos é a mesma, porém as idades e osfabricantes são diferentes, como é apresentado na Tabela 1.

Setenta por cento dos elementos da bateria do banco dofabricante C, nas duas avaliações, apresentaram valores dedensidade superior ao valor máximo especificado. Cabe res-saltar que, no momento destas medidas, o nível do eletrólitose encontrava entre as marcas de mínimo e máximo.

O elemento 58 da bateria do fabricante C na pri-meira avaliação apresentou valor de tensão de flutuaçãono limite inferior da faixa admissível, conforme especi-ficado na NBR 14199. Já na segunda avaliação apresen-tou uma tensão de 2,05V, portanto 80mV inferior aovalor mínimo especificado. Os demais elementos destabateria estão com tensão de flutuação equalizada. Re-comenda-se que seja efetuada uma carga de equalizaçãosomente neste elemento, conforme procedimento reco-mendado pelo fabricante desta bateria. A baixa tensãode flutuação é um forte indicativo da sulfatação ousubcarga das placas positivas e negativas.

FIGURA 3: Teste de Capacidade – Subestação Fundão

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Este mesmo elemento 58 do banco do fabricante C na

primeira avaliação já havia apresentado valor de condu-tância de 74% do VRC, como pode-se observar na Figura

4. Os demais elementos apresentaram valores de condu-tância igual ou superior a 85% do VRC. Já na segunda

avaliação todos os elementos apresentaram valores de con-dutância na faixa de 74 a 85% do VRC. Na segunda avali-

ação os elementos apresentaram valores de impedânciaentre 109 a 125% do VRI (não foi possível efetuar as me-

didas de impedância na primeira avaliação devido a pro-

blemas operacionais com este equipamento.No teste de capacidade (realizado em maio de 2002)

o elemento número 58 apresentou capacidade de 88% emrelação ao valor nominal. Após este elemento ter atingido

a tensão final de descarga, o mesmo foi retirado do bancoe prosseguiu-se com o ensaio de capacidade. A capacida-

de do banco sem este elemento foi de 112% em relação aovalor nominal.

A baixa tensão de flutuação deste elemento provavel-mente provocou a autodescarga das suas placas positivas e

negativas provocando a diminuição da sua capacidade. Na

segunda avaliação houve uma diminuição dos valores decondutância de todos os elementos e os mesmos apresen-

taram valores de impedância em torno de 120%. O aumen-to da resistência interna destes elementos provavelmente

pode estar relacionado com início de processo de corrosãolocalizado nos pólos ou barras de conexão. Este processo

corrosivo não foi detectado no teste de capacidade, umavez que este teste avalia somente a quantidade de energia

armazenada nas placas.Os elementos da bateria do fabricante B apresenta-

ram valores de tensão de flutuação equalizados.

Nas duas avaliações os elementos 8 e 28 da bateria dofabricante B apresentaram valores de condutância em tor-

no de 72% do VRC. Os demais elementos apresentaramvalores de condutância igual ou superior a 80% do VRC.

A subcarga do elemento 58 da bateria do fabricante

C pode ser devido este banco estar em paralelo com a ba-

teria do fabricante B e de fabricação mais antiga pois, se-gundo Norma NBR 14204, item 4.4.2, não é recomendada

a instalação em paralelo de baterias com capacidades e/ouidades e/ou características construtivas diferentes.

IV. CONCLUSÃO

Os resultados obtidos neste trabalho mostram que astécnicas de condutância e impedância são ferramentas efi-cientes a serem utilizadas na manutenção preditiva e cor-retiva em baterias chumbo-ácidas estacionárias ventiladasinstaladas em Subestações de Energia Elétrica. Através dasmesmas é possível detectar problemas internos às baterias(tais como corrosão das barras internas de interconexão epólos, degradação dos separadores, sulfatação das placaspositivas e/ou negativas, etc.) não revelados através dasmedidas de tensão de flutuação, densidade ou teste de ca-pacidade, o qual avalia somente a quantidade de energiaarmazenada nas placas ou seja, a quantidade de massa ati-va efetivamente disponível nas placas, não detectando pro-blemas tais como corrosão de pólos, barras de conexão,deterioração de separadores, etc.

Além disso os resultados obtidos indicam a possibili-dade de se estabelecer um procedimento de acompanhamentocontinuado das baterias de modo a viabilizar uma previsãomais eficaz da real necessidade de substituição das mesmas.

A Norma NBR 14197 especifica que uma bateria to-talmente carregada deve apresentar densidade de 1,210g/cm3 com o nível do eletrólito na marca do máximo. Amanutenção da densidade em valores muito elevados acar-reta a aceleração do processo de corrosão das placas posi-tivas e negativas, reduzindo a vida útil da bateria.

V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ARTIGOS EM ANAIS DE CONFERÊNCIAS (PUBLICADOS):

[1] Souza, F.S.; Silva, J.R.A. e Rosolem, M.F.N.C. - “Medidas deImpedância como Método de Avaliação de Baterias Chumbo-Áci-das Reguladas por Válvulas”; CININTEL´97 – Fortaleza

[2] Souza, F.S.; Silva, J.R.A. e Rosolem, M.F.N.C. - “Avaliação de De-sempenho de Baterias VRLA das Estações Experimentais daTelesp”; CININTEL´98 – Fortaleza

[3] Rosolem, M.F.N.C.; Beck, R.F. and Júnior, M.G.R. - “EvaluationTools for Batteries Employed in Oudooor Cabinets - An Experienceof a Brazilian Telecom Company”; INTELEC 2000 - Phoenix/EUA

[4] Rosolem, M.F.N.C.; Beck, R.F and Soares, L.A. - “Failure Detectionof Stationary Lead-acid Batteries in Service in Various Regions ofBrazil”, INTELEC 2002 - Montreal/Canadá

NORMAS:

[5] NBR 14198 - Acumulador Chumbo-Ácido Ventilado Estacionário- Terminologia, em. setembro 2002

[6] NBR 14197 - Acumulador Chumbo-Ácido Ventilado Estacionário- Especificação, em. setembro 2002;

[7] NBR 14199 - Acumulador Chumbo-Ácido Ventilado Estacionário- Ensaio, em. setembro 2002.

FIGURA 4: Medidas de Condutância - Subestação Santa Luzia- Banco do Fabricante C

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RESUMO

Neste artigo, apresentar-se-á uma metodologia para controlede estoque de itens com demanda irregular, baseado em índi-ces de controle, sob a ótica da confiabilidade. Um breve co-mentário a respeito da classificação da demanda como regulare irregular será realizado, com enfoque maior sobre o ModeloDinâmico para a Determinação do Estoque de Itens de Con-sumo Irregular, ou simplesmente, Estoque Base. Este sistemade apoio à decisão, apresentará resultados, utilizando comobase de simulação, um banco de dados de um almoxarifado deuma hidrelétrica, que serão discutidos neste artigo, demons-trando a eficácia do método proposto para a gestão e controlede estoques de itens de reposição a ser implementado na em-presa. A análise de risco feita pelo tomador da decisão, deter-minará um certo grau de liberdade ao mesmo, podendo esteoptar por soluções menos ou mais econômicas para a empre-sa, ou seja, avaliar o menor ou maior número de unidades emestoque e o risco associado a esta decisão.

PALAVRAS-CHAVE

Confiabilidade; Sistema de Apoio à Decisão; Gestão; Análisede Risco; Engenharia de Manutenção.

I. INTRODUÇÃO

A gestão de materiais de reposição em estoque, estáse tornando necessidade no dia-a-dia das muitas empresas

do setor elétrico brasileiro. Os itens que se encontraremsob reserva operativa ou em estoque, devem ser otimizados

e controlados. A confiabilidade operacional do sistema,também de vital importância para a empresa, estará com-

prometida caso haja excesso ou falta destes itens, por esta

razão, deve-se controlar o estoque de itens de reposiçãode maneira adequada.

Contudo, mesmo após haver determinado o númeroadequado de peças de reposição que se deveria ter em es-

toque (denominado de Estoque Base [1, 2]), seria interes-sante fornecer ao gestor de estoques um sistema de apoio

à decisão, ou seja, um simulador, que lhe permita variarparâmetros afim de avaliar o risco de se postergar a com-

pra de uma peça para recompor o estoque, reavaliar a qua-

lidade do componente adquirido e seu fornecedor, ou ain-da, rever contratos de fornecimento com a finalidade de

diminuir (ou não) o tempo de ressuprimento de seu esto-que de compra, bem como avaliar o estado de conserva-

ção e a vida útil do equipamento no qual o item de materialestá sendo utilizado.

Este é o objetivo do artigo: a análise e discussão dosresultados de um simulador que permite variar o risco de

itens que possuem demanda irregular, baseando-se em ín-dices probabilísticos. Variando-se índices tais como Tem-

po Médio de Vida do item, Tempo de Reposição, Grau de

Importância e Número de Peças Instaladas em operaçãono sistema, pode-se obter o risco que o gestor assumirá

frente a determinadas situações. Por exemplo, adotar umestoque menor que o Estoque Base [2] fornecido pelo

programa computacional CEST[3], prevendo que as con-dições climáticas serão favoráveis este ano, e as peças que-

brarão menos que o normal.

II. CONSUMO REGULAR OU IRREGULAR?

A classificação da demanda tem por objetivo, separar

os itens de consumo regular dos itens de consumo irregular.

Deste modo, foi adotado o seguinte critério de divisão [1]:

1. Um Coeficiente de Variação anual do item (desvio

padrão do consumo anual/ média do consumo anual)igual ou inferior a 20%, determina que o consumo será

considerado regular. O controle de estoques neste caso,será efetuado pelo algoritmo de Controle por Níveistambém conhecido como modelo “Dente de Serra” [6].

2. Um Coeficiente de Variação anual do item superior a

20%, determina que o consumo será considerado comoirregular (de natureza aleatória) e não poderá ser cal-

culado através da algoritmo “Dente de Serra”. Deve-se aplicar uma metodologia específica (Modelo Dinâ-

mico para Determinação do Estoque de Itens que apre-

sentam Consumo Irregular [1, 2]), determinando seuEstoque Base (de natureza probabilística).

Em seguida serão apresentadas, de forma resumida,algumas características de cada tipo de demanda e uma

breve análise de suas principais equações.

Modelo Probabilístico para Determinação deNíveis de Estoque e Estoque Base para

Materiais com Consumo Regular e IrregularF. C. Tomaz, Tractebel Energia SA; P. C. Lapa, Tractebel Energia SA; J. Coelho, LabPlan/UFSC; J. C. V.

Machado, LabPlan/UFSC; P. H. M. Silva; LabPlan/UFSC e M. L. L. Santos, LabPlan/UFSC

Este trabalho foi apoiado pela Tractebel Energia SA.

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A. Demanda IrregularAs variáveis levadas em consideração são: Número

de Peças Instaladas (NPI) ou que estão em operação, oTempo de Reposição (TR) desta peça quando ocorrer que-

bra, o Tempo de Vida Médio (TVM) que dura uma peça eo Grau de Importância (GI) ou Criticidade que uma peça

possui perante o processo.Determina-se a probabilidade de quebra (p) do item

através de uma curva de distribuição Normal, utilizando-se equações citadas em [1, 6]. Com esta probabilidade de

quebra obtida, pode-se calcular o Estoque Base (EB) com

a seguinte equação:

( )1EB k NPI p p NPI p= ⋅ ⋅ ⋅ − + ⋅ (1)

É conveniente apresentar um fluxograma operativodo software CEST, no qual está contido o simulador em

estudo, contido no módulo Visualizar Demanda Irregular.

Fluxograma Operativo

A classificação do Grau de Importância do item, é

mostrado na tabela 1.

TABELA 1

Comportamento do Grau de Importância

A falta do componente no estoque ocasiona Grau de Importância GI

Valores de k Associados

Paralisação de uma ou mais fases produtivas;

compromete a integridade de alguém ou de algum GI = 1

equipamento; é de importância VITAL para a empresa k > 2,33

(Categoria Z), com nível de serviço maior que 99%.

Paralisação de atividade secundária e/ou irrelevante; GI = 2

é de importância média (ou intermediária – 1,65 < k < 2,33

Categoria Y), com nível de serviço entre 95 e 99%.

Não ocasiona parada nem ônus; uso de equivalente GI = 3

existente na empresa ou com rápida e fácil reposição 1,28 < k < 1,65

(Categoria X), com nível de serviço entre 90 e 95%.

Observa-se na equação 1 que, quanto maior o Grau

de Importância (k) da peça bem como a Probabilidade de

Quebra da mesma, maior deverá ser o Estoque Base.

B. Demanda RegularO método conhecido como Dente de Serra utiliza as

seguintes variáveis: Limite de Segurança (LS) para absor-ver variações nas quantidades de demanda acima e/ou no

Tempo de Reposição, Limite de Ressuprimento (LR) nívelno qual se inicia o processo de reposição de um item de

material, Intervalo de Ressuprimento (IR), tempo entre duas

datas consecutivas de ressuprimento, Freqüência de Re-posição (FR), número de aquisições no período, Lote de

Compra (LC) ou quantidade adquirida em cada processode ressuprimento, Estoque Máximo (EMáx) ou máxima

quantidade esperada em estoque e o Estoque Médio (EM)ou quantidade média de material em estoque em um deter-

minado período.O primeiro passo é efetuar a classificação ABC que

reflete a importância ou prioridade de cada item de materi-al tal como o Grau de Importância Criticidade (k) no con-

sumo irregular, o que se pode observar na TABELA 2.

TABELA 2

Classificação ABC

Classificação Significado

A Grande Valor de Consumo

B Médio Valor de Consumo

C Pequeno Valor de Consumo

Também com a metodologia apresentada em [1], ob-

tém-se os Lotes Mínimo, Máximo e de Compra, a partirdo Tempo de Reposição (TR) dos itens, e das variáveis

citadas acima.Sua obtenção é proveniente da equação 2. Esta equa-

ção retrata de forma simplificada todo o procedimento de

obtenção dos lotes (Mínimo, Máximo e de Compra). Exis-te uma tabela chamada de Tabela de Níveis, responsável

por atribuir pesos (valores) a cada classe (A, B ou C), de-pendendo do seu Tempo de Reposição (15, 30, 45, 60, 90

ou 120 dias). Este valor é então multiplicado pelo consu-mo médio do item no período estudado, fornecendo o va-

lor do lote que se deseja encontrar. Para cada lote que sequeira (Mínimo, Máximo, ou de Compra), existe uma Ta-

bela de Níveis associada.

( );Lote Consumo f TR Classe= × (2)

Onde: significa Consumo Médio do item no período estudado.

Cabe salientar que, nesta modalidade o Lote Mínimoé o próprio Estoque Base, o Lote de Compra é sempre

unitário, uma vez que basta a saída de uma peça para de-sencadear um processo de reposição e o Lote Máximo é,

em princípio igual ao Lote Mínimo ou, pelo menos, nuncasuperior ao Número de Peças Instaladas (nível de serviço

igual a 100%).

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��� ���������� Observe-se que a variável Tempo de Reposição re-

flete a importância da origem do material, por exemplo,

peças importadas demorarão mais a serem repostas.

III. ANÁLISE DO RISCO ATRAVÉS DOSIMULADOR

O simulador tem por objetivo, mostrar o comporta-

mento de algumas variáveis responsáveis pelo Estoque Basecalculado para itens de consumo irregular, ou seja, itens

com consumo aleatório.

Logo após a classificação da demanda como irregularpelo software CEST, estes itens serão listados em uma ja-

nela em separado (FIGURA 1). Nesta janela, pode-se es-colher o item a ser analisado e acionar o simulador.

Todo item de demanda dita irregular, possui algumasvariáveis que deverão ser levadas em consideração. Estas

variáveis estão apresentadas no simulador, sob forma decampos habilitados a serem alterados (Figura 3). Uma vez

alterado qualquer um destes campos, pode-se observar ocomportamento do estoque da peça em questão, realizan-

do-se a simulação (botão Simular – FIGURA 1).

Utilizando-se a massa de dados do Banco de Dadosde uma usina termelétrica pertencente à Tractebel Energia

para exemplificar a utilização do simulador, pode-se per-ceber a potencialidade nesta aplicação. A Figura 2

corresponde à parte de uma massa de dados de uma cen-tral termelétrica selecionada como exemplo.

Pode-se determinar através da simulação um estoquebase fictício para cada cenário desejado. O ambiente do

simulador é apresentado na FIGURA 3.

O item de código 2883 da massa de dados (apresen-

tado na FIGURA 2) foi simulado e está apresentado na

FIGURA 3. Nota-se que as variáveis necessárias a simula-ção do estoque, estão devidamente apresentadas neste

ambiente de simulação, referenciadas como Valores Origi-

nais. São estas variáveis [4, 5]:

• Número de Peças Instaladas (NPI) – 08;• Tempo de Reposição (TR) em dias – 60;

• Tempo Médio de Vida (TMV) em anos – 3;• Grau de Importância (GI) – 01;

• Saldo original em estoque – 3 peças.

• Estoque Base para Valores Originais – 3.

As variáveis acima estão com os valores originais, queforam retirados do Banco de Dados (Oracle) da empresa

antes de se realizarem as simulações.Verificou-se que este item está devidamente adequa-

do à política de controle de estoque abordada neste artigo,proporcionando um Risco Original de 0,3%, não mostra-

do na Figura. Assim, há um risco de apenas 0,3% de havernecessidade de reposição de material e não haver unidades

disponíveis em estoque.

A. Simulação da Variação do Saldo em EstoqueComo se pode perceber na FIGURA 3, existe uma

outra coluna que será preenchida com os novos valores a

serem simulados (denominados de Valores Simulados). Énesta coluna que são digitados os valores desejados pelo

usuário. Após alterados os valores desta coluna, os resul-tados da simulação aparecerão em uma terceira coluna cha-

mada de Resultados.

FIGURA 1 – Itens Aptos a Serem Simulados

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1) Variação do Saldo em Estoque

Iniciando-se a simulação deste item, alterou-se o Sal-

do atual (que era de 03 peças em estoque), para 02 peças

em estoque. O Risco Simulado do estoque em questão sobe

consideravelmente de 0,3% para 2,66%. Logo, percebe-sea importância que a falta de um item deste tipo reflete no

estoque da empresa. Se o saldo deste item em estoque ain-da fosse alterado para 1 peça, o Risco Simulado subiria

ainda mais, representando 14,99% de risco para a empre-sa, conforme mostrado na Figura 3.

2) Variação do Tempo de Reposição (TR).

Retomando-se o Saldo original de 03 peças em esto-que, alterou-se o Tempo de Reposição (TR) do item em

questão (que era de 60 dias – Figura 3) para 90 dias. Os

reflexos desta mudança aparecerão não somente no Risco

Simulado, mas também no Estoque Base deste item.

Trinta dias a mais no Tempo de Reposição deste item,representará um acréscimo de uma peça no Estoque Base,

sinalizando uma necessidade de 4 peças em estoque (ao in-vés de 3 peças). E por fim, o Risco Simulado que o tomador

da decisão assumirá será de 1,31%, representando um au-mento de 1,01 pontos percentuais com relação ao apresen-

tado quando o TR era de 60 dias. Vale frisar que a situação

inversa também ocorre, ou seja, se o TR fosse reduzido para

30 dias, os valores acima seriam respectivamente:Estoque Base: 2 peças e Risco Simulado: 0,02%, con-

firmando uma drástica redução em todos os índices.

3) Variação do Tempo Médio de Vida (TMV).

Reduzindo-se o TMV deste item para 2 anos, os valo-

res apresentados para os índices (Estoque Base e Risco) se-riam praticamente os mesmos do caso acima (para um TR

de 90 dias). Por outro lado, se o TMV fosse reduzido para 1ano, os valores aumentariam consideravelmente. O Estoque

Base deveria ser de 5 peças e o Risco Simulado representa-

ria 12,47%. A situação inversa também se verifica neste caso.

4) Variação do Grau de Importância (GI).

O Grau de Importância do item tem influência direta,

na determinação do Estoque Base e também, no Risco

Referente ao Grau de Importância. Caso o item em análi-

se fosse classificado como sendo de importância GI – 02ao invés de GI – 01, percebe-se que o Estoque Base passa

a valer apenas 2 peças ao invés de 3 peças. O Risco Refe-

rente ao Grau de Importância também sofrerá alteração,

COD_ITEM DESCRICAO_ITEM UNIDADE_MEDIDA GI PRECO_UNITARIO

1540 ANEL LUBRIFICACAO DGT-C-0739 UNIDADE 1 3081568 BLOCO CONTATO.660VCA.10A.1NA+1NF.TEM UNIDADE 3 94,92750 TELHA DGT-A-0966 ITEM 01 UNIDADE 1 37,52783 CORRENTE ARRASTE DGT-A-0959 ITENS 01 METRO 1 298,922879 MOLA.PRATO.ACO CARBONO.111,5MM.DIAM UNIDADE 3 0,632883 CUNHA AJUSTE DGT-A-0723 ITEM 02 UNIDADE 1 1832888 ANEL.DGT-B-1156.SUPERIOR UNIDADE 1 21773,682889 ANEL.DGT-B-1155.INFERIOR UNIDADE 1 21396,86

FIGURA 3 - Simulação do Risco Variando o Saldo de 3 para 1 Unidade

FIGURA 2 - Parte do Banco de Dados de uma Usina Termetétrica

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��� ���������� tendo um acréscimo de 3,95 pontos percentuais em rela-

ção ao caso base (inicial – GI - 01), passando a valer 4,94%.

Assim, a classificação do Grau de Importância pela empre-sa determinará uma maior ou menor quantidade de itens

armazenados.

IV. CONCLUSÕES

Através da variação/simulação do risco, pôde-se no-tar a variação refletida na obtenção do estoque, mostran-

do-se assim uma eficaz ferramenta na tomada de decisões

no tocante à gestão de estoques de itens de reserva. O Si-mulador pode também ser utilizado para avaliar contratos

e licitações para compra de material.O Simulador visa este tipo de análise, ou seja, forne-

cer ao usuário a oportunidade de quantificar o risco demanter um número maior ou menor de itens em estoque,

avaliar “performance” dos equipamentos, alterar contra-tos e prazos de fornecimento, assim como fazer licitações

de compra de material de melhor qualidade, exigindo, porexemplo, Tempo Médio de Vida maiores.

A análise de risco fará com que o tomador de deci-

sões da empresa tenha a capacidade de analisar o compor-tamento das variáveis de decisão elencadas no simulador e

quantificar se o risco é aceitável ou não.

V. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem as contribuições de toda a equi-pe de trabalho do Grupo de Gestão de Estoques de Equi-

pamentos de Itens de Reposição da Tractebel Energia SA,

que durante o período de desenvolvimento do projeto co-laborou com o bom andamento dos trabalhos.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ARTIGOS APRESENTADOS EM CONFERÊNCIAS (Não publicados):

[1] J. Coelho, J. C. Machado, F. C. Tomaz, P. C. Lapa, P. H. M. Silva,M. L. L. Santos. “Uma Metodologia para Gestão de Estoques dePeças Sobressalentes”. XVII SNPTEE, Uberlândia – MG. Outubrode 2003;

RELATÓRIOS TÉCNICOS:

[2] J. C. V. Machado, V. A. Martins, C. A. W. Rabello “Modelo Dinâ-mico para Determinação do Estoque Base do Material Reserva queApresenta Consumo Irregular”. Centrais Elétricas do Sul do BrasilS.A. – Primeiro Seminário Interno de Manutenção. Grupo Gestãoda Manutenção; 1994;

[3] CEST – Relatório Interno do Programa CEST – ControleProbabilístico de Estoques – Tractebel Energia, 2002;

LIVROS:

[4] J. J. Viana “Administração de Materiais - Um Enfoque Prático”.São Paulo: Atlas, 2000;

[5] S. Vieira. “Estatística para a Qualidade – Como Avaliar com Preci-são a Qualidade em Produtos e Serviços”. Rio de Janeiro: Campus,1999.

APOSTILA:

[6] J. C. V. Machado, “Administração de Recursos Materiais ePatrimoniais”. Apostila Didática para o curso de Administração deRecursos Materiais e Patrimoniais. UNIVALI, 1994.

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RESUMO

Este projeto de pesquisa tem como objetivo desenvolver mé-todos e técnicas para avaliar a confiabilidade de redes de dis-tribuição de energia elétrica com configuração radial. Os mo-delos e técnicas desenvolvidos foram aplicados em uma áreapiloto definida pela CEMAR. A área definida é a Forquilhacom 68500 consumidores espalhados por uma área geográfi-ca cerca de 267km2. A avaliação da confiabilidade de siste-mas da área Forquilha foi realizada usando-se o método ana-lítico de enumeração de estados. Este método permite calcu-lar índices de confiabilidade dos pontos de carga e do sistemapara redes de distribuição. Estes índices foram calculados in-cluindo-se diversos efeitos como: falhas ativas, passivas, mo-mentâneas, restrições de transferência de carga, curva de car-ga, falhas operacionais em dispositivos de proteção echaveamento. Além disso, foram também estimados os cus-tos de interrupção para as classes de consumidores da áreaForquilha. Os resultados das análises realizadas permitiramidentificar áreas críticas e vulnerabilidades nos alimentadoresda Forquilha e também propor diagnósticos para os mesmos.

PALAVRAS-CHAVE

Confiabilidade; Redes de Distribuição; Restrições de transfe-rência de carga; custos de interrupção; índices deconfiabilidade; otimização.

I. INTRODUÇÃO

Nas últimas décadas, diversas técnicas têm sido utili-

zadas para o cálculo e a análise de índices de confiabilidadeem sistemas de distribuição de energia elétrica [1,2]. Os

principais índices usados na análise da confiabilidade desistemas de distribuição são: taxa de falha (λ), tempo de

reparo (r) e indisponibilidade anual (U). Estes índices for-necem informações na análise preditiva dos sistemas. A

análise preditiva permite prever variações no desempenho

do sistema quando mudanças na topologia ou esquemasde operação são realizados. Os índices λ, r e U podem ser

utilizados para calcular novos índices que levam em con-sideração aspectos associados com o desempenho passa-

do do sistema. Os índices mais utilizados para quantificaro desempenho passado do sistema são associados com o

Índice de Freqüência Média de Interrupção do Sistema(SAIFI – “System Average Interruption Frequency Index”),

o Índice de Duração Média de Interrupção do Sistema

Otimização da Confiabilidade em Sistemas deDistribuição de Energia Elétrica

M. G. Da Silva, A. B. Rodrigues, C. L. C. de Castro, O. R. S. Mendez, A. C. Neto, E. A. Moutinho, N. S. A.Neto, A. B. Cavalcante, M. F. B. Aronés e V. L. P. Casas - DEE/UFMA, J.C. Mendes(CEMAR)

(SAIDI – “System Average Interruption Duration Index”),

Índice de Duração Média de Interrupção do Consumidor(CAIDI – “Customer Average Interruption Duration

Index”), Energia Média não Fornecida (“ENS-Energy NotSupplied”). A análise preditiva de sistemas de distribuição

pode também ser estendida para realizar previsões ou esti-

mativas dos índices SAIFI, SAIDI, CAIDI e ENS. Estasestimativas permitem utilizar os índices SAIFI, SAIDI,

CAIDI e ENS no planejamento de sistemas de distribui-ção. Estes índices podem ser utilizados para analisar a

confiabilidade de um alimentador ou de um sistema intei-ro. Não é tão complicado utilizar os índices do processo

preditivo para incluir o custo de interrupção do forneci-mento de energia para o consumidor no cálculo e análise

dos índices de confiabilidade para se obter indicativos as-

sociados com o benefício da confiabilidade para o consu-midor. A incorporação do custo de interrupção na análise

de confiabilidade preditiva de sistemas de distribuição per-mite classificar alternativas de projetos baseando-se na

razão de custo/benefício associado com um dado nível deconfiabilidade. Atualmente, o método que é considerado o

mais prático e mais realista para se obter informações arespeito dos prejuízos causados pela falta de energia é o

método de pesquisa direta ao consumidor [3]. Neste pro-jeto de pesquisa o grupo de sistemas de potência do De-

partamento de Engenharia Elétrica da Universidade Fede-

ral do Maranhão aplicou o método de pesquisa direta aoconsumidor, na área da Forquilha do sistema de distribui-

ção da CEMAR com o objetivo de estimar os custos deinterrupção devido faltas de energia elétrica para as clas-

ses consumidoras desta área. Os resultados da pesquisaaos consumidores foram utilizados para gerar a Função

Custo de Interrupção. Esta função foi combinada com ométodo analítico de enumeração de estados [2] para se re-

alizar a análise do custo/benefício na área estudada.

II. MÉTODO UTILIZADO NO CÁLCULO EANÁLISE DE ÍNDICES DE CONFIABILIDADE

Existem duas técnicas para avaliar quantitativamentea confiabilidade de sistemas de distribuição: métodos ana-

líticos e de simulação de Monte-Carlo [2]. O método ana-lítico calcula o impacto de cada contingência do sistema

A equipe deste projeto agradece a CEMAR pelo apoio financeiro para odesenvolvimento deste projeto.

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��� ���������� (faltas em linhas, transformadores ou dispositivos de pro-

teção) e pondera este impacto baseado na freqüência e

duração desta contingência para obter índices de

confiabilidade. O método de simulação de Monte-Carlo é

semelhante ao método analítico, exceto que no método de

Monte-Carlo as contingências são sorteadas aleatoriamen-

te. Para qualquer um destes dois métodos a seqüência de

avaliação das contingências em redes de distribuição obe-

dece basicamente os seguintes passos:

1) Contingência: uma falta ocorre no sistema

2) Acionamento de dispositivos de proteção: dispositi-

vos de proteção (disjuntores, fusíveis) atuam para eli-

minar a falta.

3) Restauração de pontos de carga a montante da falta:

dispositivos de seccionamento a montante da falta, tais

como chaves normalmente fechadas, desconectores

(“jumpers”) e fusíveis, são abertos para isolar a falta. Esta

operação permite que o dispositivo de proteção que atuou

para eliminar a falta seja reinicializado e o fornecimento

de energia para todos os consumidores a montante da

falta seja restaurado.

4) Restauração dos pontos de carga a jusante da falta:

outras seções que permanecem desenergizadas são isola-

das abrindo dispositivos de seccionamento a jusante da falta.

Esta operação permite que alguns consumidores localiza-

dos a jusante da falta possam ser restaurados através de

caminhos alternativos pelo fechamento de chaves NA.

5) Reparo: o componente que sofreu a falta é concertado

e o sistema retorna ao seu estado pré-falta

Nesta pesquisa o método utilizado para calcular os

índices de confiabilidade é método de enumeração de esta-

dos. O método analítico implementado para analisar os

alimentadores da área da Forquilha incorpora as seguintes

características:

• Cálculo dos Índices de Confiabilidade: λ, r, U, ENS,

SAIFI, SAIDI e CAIDI. São consideradas ambas, car-

gas transferíveis e não transferíveis do sistema e a incor-

poração de todos os modos realísticos de falhas, incluin-

do falhas permanentes, falhas ativas, falhas temporárias,

condições de travamento de disjuntores e falhas devido

sobrecargas. Estes tipos de falhas são modelados para

os seguintes componentes: linhas de transmissão aéreas,

transformadores e “jumpers”. Os modos de restauração

incluem reparo, substituição, chaveamento, ações de

transferência e religamento automático;

• Cálculo do custo de interrupção para consumidores usan-

do o método analítico de enumeração de estados. Cria-

ção da Função Custo de Interrupção -CDF (Customer

Damage Function) para uma área e o cálculo dos valores

médios dos custos de interrupção de energia, por ponto

de carga e sistema;

• Alocação ótima de dispositivos de seccionamento usan-do Computação Evolutiva;.

• Cálculo de índices de confiabilidade considerando a Ca-pacidade de Restrições de Transferência de Potência nosalimentadores;

· Modelagem da Curva de Carga Anual do Sistema.

III. RESULTADOS

As subseções A, B e C apresentam os resultados desteprojeto de pesquisa associados com: a pesquisa aos consu-midores, a análise de confiabilidade, otimização e a interfacegráfica do programa computacional ACORDEE [5].

A. Pesquisa Direta aos ConsumidoresAs Funções Custo de Interrupção foram geradas a partir

da estimação dos custos de interrupção de energia para cadaclasse de consumidores da área Forquilha. As amostras utili-zadas nesta estimação são apresentadas na Tabela 1.

TABELA 1

Amostras das classes de consumidores da área Forquilha.

Setor Amostra

Residencial 500

Comercial 300

Industrial 50

Prédios Públicos 30

A Tabela 2 apresenta as estimativas dos custos de inter-rupção, resultantes da pesquisa aos consumidores, porrespondente para as classes de consumidores da área Forquilha.Resultados mais detalhados estão apresentados em [4].

TABELA 2

Custos de Interrupção para as Classes deConsumidores da Forquilha.

Setor Duração R$/int.

Residencial 20 min 0,5791

1 hora 2,9578

4 horas 5,3177

Comercial 1 min 4,8892

20 min 24,6274

1 hora 68,3349

2 horas 94,5962

4 horas 187,4670

8 horas 344,3412

Prédios Públicos 1 min 0,0000

20 min 13,7931

1 hora 66,5517

4 horas 320,3448

8 horas 562,0690

Industrial 1 min 14.6000

20 min 95.3778

1 hora 273.3111

4 horas 522.7111

8 horas 925.9333

������������������� ���������������������������������� 55

B. Análise de ConfiabilidadeEsta seção apresenta os resultados obtidos com a aná-

lise de confiabilidade do alimentador AL01C8 da Forquilha.

O alimentador AL01C8 é constituído por: 210 pontos de

carga, 8 interligações com alimentadores adjacentes, 948

circuitos, 19095 consumidores e possui um pico de carga

de 8200 kW. Esta análise foi realizada considerando-se os

índices: SAIFI, SAIDI, ENS e Custos de Interrupção Es-

perados (CIEC). Estes índices foram selecionados por se-

rem os mais utilizados na análise de confiabilidade preditiva

de sistemas de distribuição. Além disso, casos de estudos

1,...,4 foram utilizados para analisar os efeitos dos modos

de falha dos componentes, nos índices SAIFI, SAIDI, ENS

e CIEC. Estes casos de estudos são apresentados a seguir:

Caso 0 - Caso Base:

• A Probabilidade de Falha Operacional das proteções

(PFO-proteções) é igual a zero, ou seja, as proteções

não travam quando são solicitadas para operarem;

• PFO-chaves NA=0.0;

• Não há restrições de transferência de carga;

• Não há falhas associadas com transformadores e jumpers;

Caso 1:

• Idêntico ao Caso Base, porém com a PFO-fusíveis=0.1

e a PFO-religadores=0.05.

Caso 2:

• Idêntico ao Caso Base, porém com a PFO-chaves

NA=0.3

Caso 3:

• Idêntico ao Caso Base, porém com as restrições de trans-

ferência de carga incluídas.

Caso 4:

• Idêntico ao Caso Base, porém com falhas de transfor-

madores incluídas. Os dados de falhas dos transforma-

dores usados neste estudo de caso foram:

i) Taxa de falha permanente: 0.01 falhas/ano

ii) Tempo de reparo: 5 horas

iii) Tempo de chaveamento: 1.0 hora

A Tabela 3 e a Figura 1 apresentam as variações

percentuais nos índices SAIFI, SAIDI, ENS e CIEC, com

relação aos respectivos índices do Caso Base (Tabela IV),

para os casos de estudo 1,...,4.

TABELA 3

Variações percentuais nos índices para o alimentadorFQLC8

ÍNDICE CASO 1 CASO 2 CASO 3 CASO 4

SAIFI [f/ano] 7,4423 0,0000 0,0000 2,1165

SAIDI [h/ano] 4,2366 18,7302 1,0945 21,6446

ENS [MWh/ano] 4,1080 18,5911 1,0789 21,5282

CIEC [R$/ano] 5,4389 15,4094 0,8625 19,3889

TABELA 4

Índices de confiabilidade para o Caso Base do alimentadorFQLC8

Ìndice Valor Estimado

SAIFI [f/ano] 2,4249

SAIDI [h/ano] 0,6311

ENS [MWh/ano] 3,4684

CIEC [R$/ano] 88278,5579

0

5

10

15

20

25

VA

RIA

ÇÕ

ES

(%)

SAIFI SAIDI ENS CIEC

ÍNDICES

CASO 1

CASO 2

CASO 3

CASO 4

FIGURA 1. Gráfico de barras das variações percentuais nosíndices de confiabilidade do alimentador FQLC8.

A partir da Tabela 3 e da Figura 1 pode-se concluir

que:

i) As falhas em transformadores e as PFO resultaram em

variações acima de 15% nos índices SAIDI, ENS e CIEC

do FQLC8;

ii) Restrições de carregamento possuem um impacto qua-

se insignificante nos índices de confiabilidade do

alimentador FQLC8. Por exemplo, as restrições de car-

regamento produziram uma variação de 1.0945% no ín-

dice de confiabilidade SAIDI com relação ao SAIDI do

Caso Base.

Os resultados apresentados acima permitem realizar

o seguinte diagnóstico para o alimentador FQLC8:

i) O alimentador FQLC8 tem deficiências associadas com

a capacidade de restauração do fornecimento de energia

para os consumidores que foram interrompidos após a ocor-

rência de uma falha. Estas deficiências estão associadas

com a operação de chaves NA para realizar transferências

de carga entre alimentadores após a ocorrência de uma fa-

lha. Isto pode ser um indicativo de que é necessário au-

mentar o número de equipes de trabalho ou instalar chaves

NA automáticas para reduzir os tempos de restauração

para os consumidores;

ii) Embora não tenham sido encontradas falhas associadas

com transformadores nos bancos de dados da CEMAR,

relacionados com a área da Forquilha, pode-se observar

que as falhas destes componentes podem ter efeitos

significantes nos índices de confiabilidade do alimentador

FQLC8. Devido a isto, recomenda-se que sejam adquiri-

dos mais dados sobre a ocorrência de falhas em transfor-

madores para que os seus efeitos nos índices de

confiabilidade possam ser precisamente avaliados.

��������������������� �!""#56

��� ���������� C. Otimização: Algoritmo Evolutivo

Nesta seção são apresentados os resultados obtidos

com a aplicação do algoritmo de otimização da

confiabilidade de sistemas de distribuição, nos

alimentadores da subestação da Forquilha. Este algoritmo

otimiza a confiabilidade de sistemas de distribuição

minimizando os custos de interrupção (CIEC) e expansão

da rede elétrica através da Alocação Ótima de Dispositi-

vos de Chaveamento (AODC), tais como, chaves NA e

NF. A aplicação do algoritmo de AODC foi realizada para

todos os alimentadores da subestação da Forquilha. Entre-

tanto, devido ao grande número de resultados e limitação

de espaço, será demonstrada nesta seção apenas nos

alimentadores AL01C5 e AL01C8 da subestação da

Forquilha. Resultados similares, aos obtidos com os

alimentadores AL01C5 e AL01C8 também foram encon-

trados com a aplicação do algoritmo AODC nos demais

alimentadores da área da Forquilha. Os valores dos custos

de instalação de chaves NA e NF usados na otimização da

confiabilidade dos alimentadores AL01C5 e AL01C8 são

apresentados na Tabela 5. Além disso, a Tabela 6 apresen-

ta os dados de confiabilidade para as proteções e chaves

NA que foram utilizados nos estudos de otimização. Os

custos de interrupção para os consumidores foram calcu-

lados a partir das funções custo de interrupção apresenta-

das na Tabela 2.

TABELA 5

Custos de instalação de dispositivos de chaveamento

Custos Valor

Custo de compra de chave NF manual 362.40 R$

Custo de instalação de chave NF manual 1440.00 R$

Custo de compra de chave NA manual 362.40 R$

Custo de instalação de chave NA manual 27252.56 R$/Km

TABELA 6

Dados de confiabilidade para proteções e chaves NA queforam utilizados nos estudos de otimização.

Dispositivo PFO

Fusível 0.10

Religador 0.05

Disjuntor 0.05

Chaves NA 0.30

A Tabelas 7 e 8 apresentam os valores dos índices de

confiabilidade SAIFI, SAIDI, ENS e CIEC para as confi-gurações original e otimizada dos alimentadores AL01C5

e FQLC8 após 10 gerações do algoritmo evolutivo. Alémdisso, estas Tabelas também apresentam as variações

percentuais nos índices SAIFI, SAIDI, ENS e CIEC cal-culadas com relação às configurações originais dos

alimentadores AL01C5 e AL01C8. Os custos de expansãoe o número de chaves instaladas, para as configurações

otimizadas, dos alimentadores AL01C5 e AL01C8 sãoapresentados na Tabela 9.

TABELA 7

Índices de confiabilidade ótimos para o alimentador AL01C5

Ìndice Configuração original Configuração ótima Variação (%)

SAIFI [falhas/ano] 0,36139519 0,36139519 0,00000000

SAIDI [horas/ano] 0,24197164 0,22675845 6,28718193

ENS [MWh/ano] 0,24089881 0,22216117 7,77822077

CIEC [R$/ano] 17940,9258 16143,1884 10,02031524

TABELA 8

Índices de confiabilidade ótimos para o alimentador AL01C8

Índice Configuração original Configuração ótima Variação (%)

SAIFI [falhas/ano] 1,50626024 1,50626024 0,00000000

SAIDI [horas/ano] 1,12105169 0,75382492 32,75734489

ENS [MWh/ano] 6,14996686 4,19232354 31,83177020

CIEC [R$/ano] 148868,0273 97301,1193 34,63934389

TABELA 9

Custos de instalação e número de chaves associados com asconfigurações ótimas dos alimentadores AL01C5 e AL01C8

Alimentador Custo de expansão Nº de chaves Nº de chavesNF instaladas NF instaladas

AL01C5 65384,8000 25 2

AL01C8 565148,0000 291 4

A partir das Tabelas 7 e 8 pode-se observar que o

algoritmo de AODC produziu reduções significativas nos

índices de confiabilidade dos alimentadores AL01C5 e

AL01C8. Entretanto, deve ser notado que as maiores redu-

ções nos índices de confiabilidade estão associadas com o

alimentador AL01C8. Por exemplo, a redução no CIEC do

alimentador AL01C5 foi apenas de 10,0203%, enquanto

que a redução no CIEC associada com alimentador AL01C8

foi de 34,6393%. Este efeito está associado com o tamanho

do alimentador. Em alimentadores de grande porte, tais como

o AL01C8, o número de seções candidatas para instalação

de dispositivo de chaveamento é muito grande. Conseqüen-

temente, o algoritmo evolutivo tem boas chances de obter

melhores soluções a cada geração. Por outro lado, em pe-

quenos alimentadores, o número de seções candidatas para

a instalação de dispositivos de chaveamento é bastante re-

duzido. Portanto, as chances do algoritmo evolutivo atingir

soluções melhores a cada geração são muito pequenas.

D. Interface GráficaO Programa ACORDEE (Análise de Confiabilidade em

Redes de Distribuição de Energia Elétrica) é um programa

gráfico desenvolvido sobre a plataforma C++ Builder 5.0 da

Borland Corporation com Banco de Dados SQL Server 7.0[2-

7] proporcionando performance de acesso aos dados, segu-

rança de armazenamento e recursos de redes. Este Programa

foi desenvolvido pelo Grupo de Sistemas de Potência do De-

partamento de Engenharia Elétrica da UFMA. A versão 1.0

do ACORDEE foi concluída em outubro de 2002.

O Programa ACORDEE é um Programa com Interface

Gráfica Interativa que estabelece uma interação amigável

������������������� ���������������������������������� 57

com o usuário, possibilitando maior segurança e conforto

no cadastramento do sistema elétrico e de seus respectivos

dados, além de garantir uma representação mais didática e

representativa dos sistemas de Distribuição de Energia Elé-

trica em estudo.

O ACORDEE é projetado para calcular índices de

confiabilidade de sistemas de distribuição de energia elé-

trica, com configuração radial, usando o critério de perda

parcial ou total de carga. O Programa pode ser usado para

editar dados via teclado do microcomputador. A principal

vantagem é a maior flexibilidade em digitar e checar os

dados introduzidos. As técnicas empregadas no ACORDEE

se baseiam no Método de Enumeração de Estados e cada

componente é representado por um modelo de três esta-

dos: o estado em operação, o estado imediatamente se-

guindo uma falha e o estado seguindo uma subseqüente

operação de chaveamento ou operação de isolação da fa-

lha. Estas técnicas permitem que todos os procedimentos

e modos de falha e restauração sejam modelados muito

realisticamente e dão uma boa representação do compor-

tamento do sistema.

O Programa fornece duas opções de menus (um menu

principal e um menu auxiliar), uma barra de ferramenta de

atalhos e outras facilidades para permitir ao usuário reali-

zar um estudo de confiabilidade em sistemas radias. O menu

principal envolve os seguintes passos:

1. Acesso às facilidades do Programa.

2. Acesso ao Banco de Dados.

3. Acesso aos parâmetros de configuração das ferramentas

de simulação.

4. Acesso ao arquivo HELP.

5. Entrada de Dados da Curva de Carga.

6. Execução do Fluxo de Carga e Análise de Confiabilidade.

7. Análise de Resultados e Estudos de Sensibilidade.

8. Saída do Programa.

O menu auxiliar envolve os seguintes passos:

1. Entrada de dados dos componentes do sistema.

2. Modo de rotação dos transformadores (de zero a 360

graus).

3. Exclusão de componentes na tela.

4. Saída do Programa.

A Barra de Ferramenta envolve os seguintes passos:

1. Construção de um novo Sistema.

2. Modo de seleção de componentes.

3. Modo de deslocamento dos componentes.

4. Modo de modificação das dimensões do diagrama unifilar

do sistema(zoom).

5. Modo de busca de componentes na Tela.

6. Modo de inserção de texto.

7. Modo com grade auxiliar de desenho para auxiliar na

construção de linhas retas.

8. Saída do Programa.

O Banco de Dados é composto de um conjunto de

planilhas onde são armazenadas todas as informações ne-

cessárias para a representação gráfica do sistema elétrico,

além dos seus respectivos dados elétricos, dados de

confiabilidade e ainda informações pertinentes aos custos

de interrupções obtidos dos questionários setoriais. A Fi-

gura 2 apresenta uma das telas do programa ACORDEE

para demonstrar um dos recursos gráficos do programa.

FIGURA 2. Tela do programa ACORDEE mostrando umdiagrama unifilar de um sistema de distribuição

IV. CONCLUSÃO.

Este projeto de pesquisa teve como resultado o desen-volvimento de um modelo computacional para avaliar aconfiabilidade de sistemas de distribuição de energia elétrica.As características do modelo desenvolvido foram integradasem um software com uma interface gráfica amigável que per-mite aos engenheiros e pessoal de planejamento realizar aná-lises interativas da confiabilidade de redes de distribuição.

Os resultados obtidos permitiram identificar áreas crí-ticas e vulnerabilidades da área de estudo definida pelaCEMAR. Esta identificação permitiu selecionar e sugeriralternativas de reforço para melhorar o desempenho do sis-tema de distribuição.

Dentre os resultados deste Projeto estão também in-cluídos os dados estatísticos resultantes da pesquisa diretaàs classes de consumidores da área de estudo da CEMAR.Estes dados estatísticos permitiram identificar o impactode interrupções do fornecimento de energia elétrica nasatividades realizadas pelos consumidores. A avaliação quan-titativa e econômica deste impacto foi realizada a partir dageração da Função Custo de Interrupção para cada classede consumidor. Esta função é utilizada para calcular a ra-zão de custo benefício de diversos projetos e alternativasde reforço e melhoria da rede elétrica. Além disso, estafunção foi combinada com os custos de expansão da redeelétrica para formar a função objetivo do problema dealocação ótima de dispositivos de chaveamento. Este pro-blema foi resolvido combinando-se o modelo desenvolvi-

��������������������� �!""#58

��� ���������� do para a análise de confiabilidade com algoritmos

evolutivos. A aplicação do algoritmo de alocação de dis-positivos de chaveamento nos alimentadores da Forquilhapermitiu obter reduções de até 34% nos índices deconfiabilidade dos alimentadores analisados.

V. AGRADECIMENTOS

A equipe do projeto CONFIREDE agradece aCEMAR da qual, em diversos estágios deste projeto, rece-

beu apoio. A equipe agradece a colaboração dos usuáriosrespondentes da Pesquisa (“survey”) sem os quais não po-

deria ter sido realizado este trabalho.

VI. REFERÊNCIAS

[1] Roy Billinton, Fotuhi-Firuzabad and Lina Bertling,. Bibliographyon the application of probability methods in power systems reliabilityevaluation, 1996-1999, IEEE Trans. on PWRS, 16(4), pp. 231-236,Novembro de 2001.

[2] Roy Billinton and R. N. Allan, Reliability Evaluation of EngineeringSystems, Plenum Press, 1992

[3] G. Wacker and R. Billinton. Customer Cost of Electric ServiceInterruption , Proceedings of IEEE, 77(6), pp. 919-930, 1989.

[4] Grupo de Sistemas de Potência, “Relatório Final Completo do Pro-jeto de Pesquisa e Desenvolvimento Otimização da Confiabilidadeem Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica”, DEE-UFMA,disponibilizado para a CEMAR em Novembro de 2002.

[5] Manual do Programa Computacional ACORDEE, Grupo de Siste-mas de Potência, DEE/UFMA, Novembro, 2002.