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Universidade Federal de Sergipe
Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa
Coordenação de Pós-Graduação
Departamento de Engenharia Elétrica
AVALIAÇÃO DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS
DE RECOMPOSIÇÃO AUTOMÁTICA EM
REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
ELÉTRICA
São Cristóvão - SE
2013
Thiago Freire Guth
AVALIAÇÃO DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS DE
RECOMPOSIÇÃO AUTOMÁTICA EM REDES DE
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
• Discente: Thiago Freire Guth
• Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-graduação em Engenharia Elétrica –
PROEE da Universidade Federal de Sergipe como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Mestre em Engenharia Elétrica.
• Orientador: Prof. Milthon Serna Silva, D.Sc.
• Examinadores:
1. Prof. Adriano Galindo Leal, Ph.D.
2. Prof. Carlos Alberto Villacorta Cardoso, D.Sc.
AVALIAÇÃO DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS DE
RECOMPOSIÇÃO AUTOMÁTICA EM REDES DE
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Introdução
Contexto:
• Exigências regulatórias mais rigorosas do ponto de vista da qualidade de fornecimento;
• Automação da distribuição como alternativa viável para redução dos tempos de restabelecimento;
• Empresas em fase de estudo ou testes de conceitos em
‘‘ Self Healing’’ no escopo das redes inteligentes;
• Oportunidade de ganhos de qualidade com recomposição automática de cargas.
Introdução
Exigências regulatórias:
• Impacto de menores limites individuais;
Ex:
2. ..
FEC
FEC
DEC
DEC
miteli
apurado
miteli
apurado
QualInd
• Impacto de variação de DEC e FEC na parcela B da tarifa (componente Q);
2
11
_)1(
)(
)1(
)(
FEC
FECDECDEC
tI
tI
tI
tI
II FECVarDEC
Introdução • Ganhos com Automação:
• Seccionamento automático do defeito (proteção);
• Religamento (eliminação de faltas transitórias);
• Transferência de cargas.
Introdução • “Self Healing”:
• Recomposição Automática (blocos de carga);
• Priorização de circuitos para restabelecimento;
• Sensoriamento (alarmes);
• Monitoramento da comunicação;
• Detecção de perda de coordenação e ajuste automático;
• Balanceamento dinâmico de carga;
• Integração com despacho de equipes (OMS);
• Redução de perdas elétricas.
Introdução • Recomposição Automática
Introdução • Recomposição Automática
Introdução • Recomposição Automática
Introdução • Recomposição Automática
Impacto relevante na
redução de DEC
Problema
COD
Alarmes
Variáveis
da
Controle Segurança
Opções de
Transferência
=
COMANDO
E TRANSFERÊNCIA
X
RECOMPOSIÇÃO AUTOMÁTICA
COMANDO
E TRANSFERÊNCIA ALGORITMO =
X
Problema
• Definir ganhos de qualidade exclusivos da recomposição automática representados através de indicadores;
• Em função dos ganhos definir metodologia de priorização de circuitos para implantação da tecnologia.
Metodologia
• Avaliação estatística dos tempos médios com e sem recomposição automática;
• Aplicação da Matriz Lógica Estrutural (MLE) para cálculo de indicadores de qualidade em função dos tempos;
• Aplicação da metodologia AHP (Analytic Hierarchy Process) para em função dos indicadores de qualidade calculados definir priorização de circuitos.
Metodologia
• MLE: é uma matriz quadrada de tamanho n x n, sendo n o número de nós de um alimentador. Representa a influência do respectivo trecho em falha sobre os demais pontos do alimentador e com ela pode-se calcular indicadores de qualidade;
• Para sua construção é necessário se obter previamente duas matrizes: Matrizes de Adjacência e Alcance.
Metodologia
• Exemplo montagem MLE:
Metodologia
• Matriz de Adjacência: Para sua construção são analisados todos os trechos, sendo que cada trecho receberá o valor 1, onde o nó DE é correspondente a linha e o nó PARA é correspondente a coluna da matriz. Os demais elementos da matriz receberão o valor 0 .
I
Metodologia
• Matriz de Alcance: com esta matriz é possível determinar onde um equipamento de manobra ou proteção, por exemplo, uma chave ou uma chave fusível, terão influência dentro do alimentador. Para sua construção, utiliza-se:
I -> Matriz Identidade A-> Matriz Adjacência
I
Metodologia
• Com a Matriz de Alcance seguem-se as etapas para construção da MLE:
1- Inserção dos tempos de reparo
Tempo de reparo No trecho
SE a b c d
TRdTRcTRbTRaTRse
TRdTRcTRbTRaTRse
TRdTRcTRbTRaTRse
TRdTRcTRbTRaTRse
TRdTRcTRbTRaTRse
MLE
5
4
3
2
1
Pontos de Defeito
I
Metodologia
2- Verificação onde se tem equipamentos de proteção (chave fusível, religadores automáticos,etc) e apropria tempo 0 (zero).
Obs: Considera-se correta seletividade e coordenação.
Defeito nesse ponto não impactará em trechos a montante
SE a b c d
TRdTRcTRbTRaTRse
TRcTRbTRaTRse
TRcTRbTRaTRse
TRcTRbTRaTRse
TRcTRbTRaTRse
MLE
0
0
0
0
5
4
3
2
1
I
Metodologia
3- Inserção de tempos de seccionamento (abertura de chave NF) e de transferência de carga (abertura de chave NF e fechamento de chave NA).
Tempo de Seccionamento
SE a b c d
TRdTSTRbTRaTRse
TRcTTTTTT
TRcTTTTTT
TSTRbTRaTRse
TSTRbTRaTRse
MLE
0
0
0
0
5
4
3
2
1
Tempo de Transferência
TR>TT>TS
Metodologia
Observação: Deve-se considerar algumas variações de tempos de seccionamento e de transferência:
1-Tempo de seccionamento manual (equipamento não automatizado);
2-Tempo de seccionamento automático (equipamento telecomandado), devido a simplicidade de operação considera-se tempo 0 (zero);
3-Tempo de transferência manual (equipamentos não automatizados);
4- Tempo de transferência automática (equipamentos telecomandados), dois tempos possíveis: via comando do operador ou via sistema de recomposição automática.
I
Metodologia
4- Adotando-se taxa zero de defeito na subestação tem-se a MLE:
SE a b c d
TRdTSTRbTRa
TRcTTTT
TRcTTTT
TSTRbTRa
TSTRbTRa
MLE
0
00
00
00
00
5
4
3
2
1
I
Metodologia
Com a MLE construída pode-se calcular indicadores de qualidade através da multiplicação da taxa de falha dos trechos e das equações a seguir:
SE a b c d
dTRdXcTSXbTRbXaTRaX
cTRcXbTTXaTTX
cTRcXbTTXaTTX
cTSXbTRbXaTRaX
cTSXbTRbXaTRaX
MLE
0
00
00
00
00
5
4
3
2
1
Taxa de falha = número ocorrências/km do trecho
Metodologia
DIC (Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora ou Ponto de Conexão):
Somatório de cada linha da matriz
DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora):
Obs: Não se considera na metodologia a influência referente as ocorrências em ramais de serviço.
Metodologia
ENS (Energia Não Suprida ou Não Distribuida):
Somatório do DIC de cada ponto multiplicado pela carga no ponto.
Metodologia
Para cálculo de FEC e FIC utilizam-se as fórmulas de DEC e DIC, desconsiderando os tempos na matriz:
FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora);
FIC (Frequência de Interrupção Individual por Unidade Consumidora ou Ponto de Conexão).
I
SE a b c d
dcba
cba
cba
cba
cba
MLE
0
00
00
00
00
5
4
3
2
1
Metodologia
• Com os ganhos de qualidade calculados pode-se definir uma priorização dos alimentadores com a metodologia AHP;
• Esta metodologia é dividida nas seguintes etapas:
1- Definição de objetivo e critérios de seleção (Árvore de Decisão);
2- Construção da Matriz de Julgamentos (comparação entre critérios) através da escala Saaty;
Metodologia
3- Cálculo do autovetor e autovalor da matriz e verificação da consistência da Matriz de Julgamentos;
4 – Verificação para cada opção de escolha do peso relativo de cada critério;
5- Multiplicação da matriz com os pesos pelo autovetor (critérios) resultando no indicador de priorização para cada opção (vetor resultante).
Metodologia
• Exemplo AHP:
Árvore Multicritério
Escala Saaty
Metodologia
• Exemplo AHP:
Sendo w o “autovetor” e ƛ o “autovalor” da matriz, para esta ser consistente teoricamente ƛ=n. O grau de inconsistencia é dado então por:
Matriz de Julgamentos
Metodologia
• Exemplo AHP:
Saaty sugere que este índice seja comparado a julgamentos feitos completamente ao acaso, envolvendo grandes amostras de matrizes aleatórias de ordem crescente, segundo a tabela a seguir:
Então, a razão de consistência, CR, será dada por:
CR<10% -> Consistente
Metodologia
• Exemplo AHP:
Cálculo do autovetor Normalizado Somatório das colunas da
matriz
Metodologia
• Exemplo AHP:
Cálculo do autovetor Normalizado Somatório das colunas da
matriz
Cálculo do autovalor
Metodologia
• Exemplo AHP:
Teste de Consistência
Matriz opção x pesos (critérios)
Normalizado
Metodologia
• Exemplo AHP:
Resultado:
Autovetor Normalizado Critérios
Priorização das Opções
Aplicação
• Levantamento da base de dados do sistema de recomposição automática RESA da CPFL Energia;
• Cálculo estatistico dos tempos de manobra com e sem RESA;
• Desenvolvimento de simulador para construção da MLE (em Excel/VBA);
• Seleção do alimentador XXX-17 e inserção de dos dados no simulador;
• Inserção de dados no alimentador XXX-21 e comparação com XXX-17 através da metodologia AHP.
Aplicação
• Base de Dados – RESA (Religamento Seletivo de Alimentadores 15 kV):
Desde 2002 baseado em RAs e PTRs. Fluxos desenvolvidos no Scada proprietário IHM (SDDT)
Aplicação
• Seleção das atuações – RESA:
• Seleção das atuações do Operador -> Mesma sequência RESA:
Aplicação
• Alimentador XXX-17:
Aplicação
• Simulador:
De Para Equipamento km
1 2 DJ 0,242
2 3 FU 0,033
2 4 FU 0,033
2 5 NE 0,033
1 0 0
2 0 0
3 85 131,25
4 85 131,25
Potência
Instalada (KW)Nó Número UCs
Inserção de Trechos/Equipamentos
Aplicação
• Simulador:
Tempos - Estatística
XXX 17
6,00
2,35
2,55
13,86
8,27
1,12
0,00
0,83
0,67
0,00
0,18
0,55
0,10
0,17
TR (Tempo Médio de Reparo):
TT (Tempo de transferência automática):
DADOS DO ALIMENTADOR
Nome:
Número de Ocorrências:
Km do Alimentador:
ƛ (taxa de Falha):
Limite DIC:
Limite FIC:
TT (Tempo de transferência automática
Sem RESA) > 3 minutos:
TTM (Tempo de transferência manual):
TS (Tempo de seccionamento manual):
TS2 (Tempo de seccionamento tele):
% TT sem RESA > 3 minutos
Carregamento
TT (Tempo de transferência automática
Sem RESA) > 3 minutos com %:
Dados Alimentador
Aplicação
• Simulador:
Ganho = Indicador sem recomposição - Indicador
com recomposição.
Obs: %P.V-> Percentual de de violação de limites de DIC ou FIC no alimentador
Matriz Critérios (Julgamentos)
Cálculo autovetor e verificação de consistência:
Resultados Obtidos
• Tempo Médio com Recomposição Automática (acima de 30 eventos – Distribuição Normal):
Neste caso foi estabelecido para cálculo dos indicadores o tempo igual a zero, tendo em vista que por regulação as ocorrências com tempo menor que 3 minutos não são consideradas.
Resultados Obtidos
• Tempo Médio sem Recomposição Automática:
Neste caso foi estabelecido para cálculo dos indicadores o tempo igual a zero para 45% dos eventos sem recomposição automática, tendo em vista que por regulação as ocorrências com tempo menor que 3 minutos não são consideradas.
Estatisticamente os técnicos operadores executam uma
parte das transferências com tempo < 3 minutos.
Resultados Obtidos
• Tempo Médio sem Recomposição Automática:
Para a parcela restante não conseguiu se estabelecer uma distribuição normal
utilizando sub amostras, tendo em vista que o quantitativo de eventos seria reduzido comprometendo a
qualidade da informação.
Resultados Obtidos
• Tempo Médio sem Recomposição Automática:
Utilizou-se então o Box Plot para verificar a concentração do tempo de manobra. O tempo obtido foi de 10 minutos e 58 segundos. Este tempo foi coerente com observações e consultas ao Centro de Operação.
0.0
05
0.0
10
0.0
15
0.0
20
0.0
25
0.0
30
Resultados Obtidos
• Ganhos Alimentador XXX-17:
Com tempos obtidos , considerando os demais dados do alimentador e utilizando-se da MLE, segue o resultado:
Ganho (diferença) com o uso da recomposição automática: FEC (4,4%) e DEC (0,05%). Não ocorreu ganho substancial absoluto de ENS e que não existiram pontos com violação de limites de DIC e FIC nas duas situações.
% P.V
S.RESA
0%
FEC
S.RESA
FEC
RESAGANHO
0%0%282,1366033780,17
GANHOGANHOENS
RESA
ENS
S.RESAGANHO
% P.V
RESA
DEC
RESA
3,33 3,8833,7130,017
DEC
S.RESA
3,347
Resultados Obtidos
O ganho menor de DEC para este alimentador foi resultado da seleção do ponto para instalação da chave (meio) para a transferência telecomandada, tendo em vista que este local não secciona ou supre o trecho com maior número de unidades consumidoras. O trecho em questão cuja transferência automática proporciona suprimento alternativo possui 77 unidades consumidoras, representando somente 5,1 % do alimentador.
Resultados Obtidos
Simulação: Unidades consumidoras alterado para 680 (32% do alimentador). Incremento ganho DEC -> 76% (de 0,05% para 3,88%). Verificou-se que também ocorreu um ganho de FEC tendo em vista que este indicador é proporcional ao número de unidades consumidoras, porém, o ENS e pontos violados permaneceram no mesmo valor.
% P.V
S.RESA
0%
FEC
S.RESA
FEC
RESAGANHO
0%0%282,1366033781,071
GANHOGANHOENS
RESA
ENS
S.RESAGANHO
% P.V
RESA
DEC
RESA
2,674 4,0312,960,108
DEC
S.RESA
2,782
Resultados Obtidos
A ENS tem relação direta com a potência nominal de cada ponto e com o carregamento do alimentador, o trecho impactado pela transferência automática representa a de 5087 KW (54% do alimentador). Entretanto, o carregamento geral é de somente 17%. Simulação: Carregamento de 17% para 70%. Resultado: Incremento no ganho absoluto no ENS de 909 kWh, porém, sem diferença percentual com a situação anterior. .
% P.V
S.RESA
0%
FEC
S.RESA
FEC
RESAGANHO
0%0%119115445142550,17
GANHOGANHOENS
RESA
ENS
S.RESAGANHO
% P.V
RESA
DEC
RESA
3,33 3,8833,7130,017
DEC
S.RESA
3,347
Resultados Obtidos
Quanto ao %P.V, este indicador está diretamente relacionado com os limites anuais regulatórios para DIC e FIC e a taxa de falha do alimentador. Simulação: Limites de DIC e FIC foram substituídos por 3 (três) horas e 3 (três) vezes respectivamente. Resultado: 15% de ganho. .
% P.V
S.RESA
15%
FEC
S.RESA
FEC
RESAGANHO
87%76%282,1366033780,17
GANHOGANHOENS
RESA
ENS
S.RESAGANHO
% P.V
RESA
DEC
RESA
3,33 3,8833,7130,017
DEC
S.RESA
3,347
O uso da recomposição automática promove ganhos nos indicadores de qualidade, porém, estes podem ser potencializados em função de outros parâmetros..
Resultados Obtidos
• AHP:
Ganhos Alimentador XXX-21:
Matriz de ganhos alimentadores Matriz de ganhos normalizada
2,048 2,352,3180,003
DEC
S.RESA
2,052
GANHO% P.V
RESA
DEC
RESA
% P.V
S.RESA
0%
FEC
S.RESA
FEC
RESAGANHO
0%0%8,027222622180,0328
GANHOGANHOENS
RESA
ENS
S.RESA
Resultados Obtidos
• AHP:
Priorização dos Alimentadores:
0,77970732 XXX 17
0,12499762 XXX 21
AlimentadorIPR
Resultado da multiplicação do autovetor pelos respectivos ganhos de cada critério para os alimentadores .
Em função da diferença considerável de ganhos entre os alimentadores não foi possível destacar a potencialidade
da metodologia AHP.
É possível verificar visualmente que o alimentador XXX-17 é a melhor
opção.
Resultados Obtidos
• AHP:
Inserindo Alimentadores com ganhos próximos ao XXX-17:
Matriz de ganhos normalizada
XXX 21 0,0386 0,0931 0,0090 0,0000
XXX 17 0,1996 0,4817 0,3170 0,0000
XXX 18 0,2345 0,1134 0,2247 0,2000
XXX 19 0,2578 0,1417 0,1123 0,4000
XXX 20 0,2695 0,1701 0,3370 0,4000
ALIMGANHO
DEC
GANHO
FEC
GANHO
ENS
GANHO
%P.V
Ranking dos alimentadores com priorização. Uma definição de prioridade de instalação considerando
o aumento de casos estudados e de ganhos próximos requerem metodologia robusta e ágil.
Conclusões e Recomendações
Conclui-se que:
1- A recomposição automática proporciona ganhos de qualidade e que podem ser potencializados a depender dos parâmetros:
• Carregamento do alimentador ou do circuito socorrido;
• Quantidade de unidades consumidoras;
• Comprimento do alimentador;
• Número de opções de transferência;
• Taxa de falha histórica do alimentador;
• Limites regulatórios.
2- A MLE é uma metodologia de viável implantação para apuração de ganhos e a AHP para priorização dos alimentadores para uso da tecnologia.
Conclusões e Recomendações
Recomenda-se:
• Desenvolvimento extrator automático para formatação da tabela de trechos e consequentemente para construção da matriz lógica estrutural (MLE);
• Implantação de metodologia para redução de pontos do alimentador, no intuito de acelerar o processamento dos dados (ESPERANDIO,2008);
• Avaliar os ganhos considerando outras funcionalidades do “Self Healing” não previstas na recomposição automática;
• Desenvolvimento de ferramenta para avaliar alocação de chaves considerando ganhos com automação e com recomposição automática;
• Desenvolvimento de ferramenta para aferir os ganhos pós-implantação da recomposição automática, de forma, a comparar com a metodologia desenvolvida nesse trabalho.
FIM
OBRIGADO
