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XXI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2014 - 08 a 13 de novembro
Santos - SP - Brasil
Caio Francisco Vasconcelos de Oliveira Universidade Federal do Ceará [email protected]
Sidney Roberto da Costa Monteiro [email protected]
Giovanni Cordeiro Barroso [email protected]
Ruth Pastôra Saraiva Leão [email protected]
Raimundo Furtado Sampaio [email protected]
José Giordane Silveira Companhia Energética do Ceará [email protected]
Luiz Eduardo Formiga Companhia Energética do Ceará [email protected]
Eudes Barbosa de Medeiros Companhia Energética do Ceará [email protected]
José Roberto Bezerra [email protected]
Sistema de Recomposição Automática Aplicado a Redes de Distribuição de Energia.
Palavras-chave
Redes Elétricas Inteligentes
Sistema de Recomposição Automática
Eficiência Energética
Sistema de Disitribuição
Resumo
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Neste artigo é apresentada a implementação de um sistema de recomposição automática (SRA) para redes de
distribuição de energia elétrica, integrado ao sistema SCADA no Centro de Controle do Sistema (COS) da
Companhia Energética do Ceará (Coelce), para operação em tempo real. O SRA é parte das ações para
modernização da rede elétrica de distribuição da cidade de Aquiraz – CE onde se situa a Cidade Inteligente da
Coelce. O SRA usa como dados de entrada as informações e configuração atual do sistema de distribuição
provenientes do Sistema de Apoio à Condução (SAC) da Coelce. O SRA opera de forma automática para
recompor partes sãs da rede elétrica, após a interrupção do fornecimento de energia pela atuação de relés de
proteção. Um conjunto de restrições é considerado na tomada de decisão para recomposição automática da
rede elétrica, após uma falta, dentre as quais estão: limite de capacidade dos condutores e transformadores,
existência de clientes eletrodependentes e número de clientes dos trechos desenergizados, e presença de
equipe de manutenção de linha viva na rede. Testes realizados com o SRA têm demonstrado rapidez, segurança
e flexibilidade na recomposição do suprimento de eletricidade, possibilitando melhoria nos indicadores de
qualidade de serviço da concessionária.
1. Introdução
Redes Elétricas Inteligentes (REI) constituem um paradigma, amplamente estudado em todo o mundo, para modernizar
as redes elétricas por meio de controle automático avançado, técnicas de comunicação e tecnologia da informação.
Sistemas inteligentes para automação de redes de distribuição de energia elétrica estão entre os temas de redes
inteligentes mais pesquisados no Brasil e no mundo [1]. No âmbito da automação de sistemas elétricos, muitos
pesquisadores e empresas de energia estão investindo no desenvolvimento de sistemas de recomposição automática
(SRA) [2]-[4].
Um sistema de recomposição automática (SRA), também denominado de sistema de autorrecomposição (self-healing,
no inglês), é capaz de identificar o trecho da rede em falta e os trechos não defeituosos, porém desenergizados como
resultado da falta, restaurar o maior número possível de trechos sem defeito baseado em critérios de segurança
operacional e prioridades de restabelecimento definidos pela concessionária, e retornar a operação da rede elétrica ao
seu estado seguro de forma automática [5]. Dentre os benefícios advindos da implantação de um SRA para as empresas
de energia elétrica estão: as condições anormais da rede são automaticamente conhecidas; as alterações na rede são
automaticamente realizadas; os operadores não necessitam realizar manobras de ligar/desligar a rede; diminuição do
tempo de interrupção de energia ao cliente; diminuição dos custos de deslocamento de equipes de campo; melhora dos
indicadores de qualidade e de satisfação do cliente; e redução de situações de estresse às quais estão submetidos os
operadores [4].
Dentro deste contexto, neste artigo é apresentada a implementação de um sistema de recomposição automática (SRA)
da rede elétrica de distribuição baseado em um modelo de Redes de Petri Coloridas (RPC). O SRA foi desenvolvido em
linguagem C# (lê-se C sharp) utilizando o programa Microsoft Visual Studio 2010, e encontra-se em estágio de
integração ao sistema SCADA no Centro de Controle do Sistema (COS) da Coelce para operação em tempo real. O
SRA proposto abrange a recomposição automática da rede elétrica de distribuição de energia da cidade de Aquiraz, que
dista 25 km de Fortaleza (CE) e pertencente à Companhia Energética do Ceará - Coelce. Em [2] é apresentada a
metodologia utilizada para desenvolvimento e implantação deste sistema.
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Este artigo está organizado como segue. Na Seção II é mostrada a Rede de Distribuição de Aquiraz. Na Seção III é
descrito o princípio de funcionamento do SRA. . Na Seção IV é apresentada a implementação computacional do SRA.
Na seção V é desenvolvido um estudo de caso. Na seção VI é apresentado o estágio atual da Integração do SRA ao
SCADA do Centro de Controle. Finalmente, na Seção VII é apresentada a conclusão do trabalho.
2. Desenvolvimento
Rede Elétrica de Aquiraz
O diagrama unifilar da rede de distribuição de Aquiraz é mostrado na Figura 1. A rede Aquiraz é suprida diretamente por
três subestações em 69 kV/13,8 kV: SE AQZ (Aquiraz), SE ESB (Eusébio) e SE AGF (Água Fria). A SE AQZ é a
principal fonte de suprimento da rede Aquiraz, suprindo a maior parte da carga total da rede.
Figura 1 - Rede de Distribuição de Aquiraz
A SE Aquiraz (AQZ) possui 4 alimentadores de distribuição em 13,8 kV. Os religadores 21I4, 21I5, 21I6 e 21I7 são
responsáveis pela proteção de cada alimentador sob sua responsabilidade e ao longo do alimentador existem um ou
mais religadores (cor vermelha) e chaves de encontro de alimentadores normalmente abertas (cor verde) para
transferência de carga para outra subestação.
Os religadores foram alocados ao longo dos troncos de alimentadores, enquanto as chaves secionadoras foram
alocadas nos encontros de alimentadores. Como resultado, a rede Aquiraz é dividida em 14 trechos (T1-T14). Alguns
trechos são normalmente supridos pelas SE ESB (T3, T4, T9) e SE AGF (T13 e T14). Em condição de contingência na
rede, essas três subestações podem suprir todo ou parte do sistema de Aquiraz.
Princípio de Funcionamento do SRA
O SRA proposto realiza a recomposição de cada trecho de um sistema elétrico, considerando um conjunto de restrições
operativas, tais como:
capacidade dos condutores (ampacidade) e das fontes de suprimento (potência);
prioridades como potência não fornecida, número de consumidores desenergizados e cargas preferenciais do tipo
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eletrodependentes, hospitais, etc.
Na Figura 2 é apresentado o fluxograma de ações do SRA proposto e em seguida são discutidas as suas etapas.
Figura 2 - Fluxograma de ações do SRA.
Topologia Inicial: O ponto de partida é a topologia inicial, ou seja, a topologia de operação normal do sistema
quando não há a presença de contingências no mesmo. Com a Ocorrência de Falta o sistema realiza o próximo
passo Detecção de Falta.
Detecção da falta: O SRA reconhece a ocorrência de uma falta a partir do recebimento do estado de abertura do
religador, depois de realizado seu ciclo de religamento, enviado pelo SCADA e efetua uma localização da falta,
identificando o trecho defeituoso.
Isolamento da Falta: o trecho com falta é isolado através da abertura de todos seus religadores vizinhos.
Análise de Vivacidade: O SRA identifica o trecho onde ocorreu a falta e os trechos não defeituosos que, por
consequência da falta, foram desenergizados.
Seleção do trecho morto de maior prioridade seguinte: Os trechos mortos são ordenados de acordo com a
prioridade desejada, atribuída pela concessionária durante a configuração do SRA.
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Identificação das alternativas de recomposição e análise das restrições: Selecionado o(s) trecho(s) a recompor,
detectam-se os religadores de encontro de alimentador para transferência das cargas deste trecho para um
alimentador vizinho. Caso não seja encontrado nenhum religador que satisfaça essas condições, uma variável
informa ao SRA que deve ser realizada a tentativa de reenergizar o trecho de prioridade seguinte, que
compreende a etapa de Seleção do trecho morto de prioridade seguinte. Caso sejam encontradas formas
possíveis de energizar o trecho, é realizada a análise das restrições que calcula a capacidade da fonte e
ampacidade dos condutores. Se for possível recompor, o sistema fará a operação, voltando para outra Seleção
de trecho morto de maior prioridade. Caso não seja possível, o sistema tentará recompor os outros trechos
desenergizados.
Alteração da topologia: Indica as mudanças da configuração do sistema de distribuição. No final do processo de
recomposição uma nova topologia da rede é adotada.
Recomposição Completa?: nessa etapa o SRA verifica se ainda há trechos que possam ser reenergizados. Caso
haja, retorna à etapa de seleção de trecho morto. Caso não haja, o SRA chega ao estado final de recomposição.
Sobrecarga?: Nesta etapa é verificado se ocorreu sobrecarga após a recomposição, e se verdadeiro, o sistema
atua desenergizando trechos, com o objetivo de efetuar um "aliviamento" do alimentador.
Estas etapas são repetidas até que não haja mais nenhum trecho cuja reenergização seja possível. Enquanto a rede
não teomar a sua condição normal, a verificação das restrições é executada repetidamente.
Implementação Computacional do SRA.
O SRA foi modelado, testado e validado usando a técnica de redes de Petri Colorida (RPC). Para seu correto
funcionamento, os dados de entrada do SRA são divididos em duas categorias: estáticos e dinâmicos. Os dados de
entrada estáticos são aqueles relacionados à configuração original da rede (ver Figura 1), bem como as especificações
dos equipamentos (cabos, transformadores e barramentos). Os dados de entrada dinâmicos são aqueles aquisitados
periodicamente, tais como tensão e corrente nos religadores e aqueles aquisitados no instante de uma ocorrência, tais
como código, função de atuação e corrente instantânea no religador e sentido da corrente que passa pelo religador.
Funcionalidades do SRA
O SRA foi especificado com as seguintes funcionalidades:
Verificação de descoordenação e falha de abertura de equipamento de proteção;
Localização e isolamento da falta a partir da abertura de um ou mais disjuntores e/ou religadores;
Localização de trechos sem falta, mas desenergizados devido à falta;
Isolamento de trechos mortos (desenergizados) para recomposição trecho a trecho;
Seleção de trecho a ser recomposto com prioridade para eletrodependentes, número de clientes, ou outra
prioridade à escolha da concessionária;
Reenergização dos trechos sem falta a partir dos seguintes critérios:
Análise de Fontes: se há sobrecarga ou não da fonte supridora (subestação), verificada a partir das
correntes nominais dos transformadores e das cargas ligadas a cada trecho, tendo como priori dade a
recomposição pela fonte original;
Análise de Trechos: se há ultrapassagem do limite de condução do condutor, verificada a partir da
“ampacidade” do condutor e das cargas ligadas a cada trecho;
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Simulador do SRA
Para teste e validação do SRA em modo off-line foi desenvolvido em C# o simulador descrito a seguir.
A tela inicial do simulador do SRA é apresentada na Figura 3. Esta tela possui nove abas, a saber: Simulador,
Religadores, Elementos, Cargas, Configurações, Reiniciar, Exibir, ICCP/OPC, ADD RELIGADOR, as quais as principais
funções são apresentadas a seguir.
Figura 3 - Tela Inicial do Sra.
A) Aba Simulador
Essa aba simula a entrada de dados oriundos do sistema SCADA para o SRA. É nesta área que são simulados eventos
de faltas com partida e atuação das funções de proteção e abertura dos religadores. Conforme ilustrado na Figura 4, a
tela é dividida em duas partes: Atuação e Estado.
Figura 4 - Aba Simulador.
Na tela Atuação é escolhido o código operacional do religador, conforme identificação no diagrama unifilar, as funções
de proteção partidas ou atuadas (50, 51, 67, 67N, 60BF, 62BF ou BBDS) e o sentido da corrente-de-curto (flag 1 indica
que a rede de distribuição está alimentada pela SE Aquiraz e flag zero, corrente está em sentido reverso, indicando que
a rede Aquiraz está alimentada por outra fonte). O simular permite gerar a lista de religadores com suas respectivas
funções de proteção e acrescentar novos religadores à rede.
Em Estado são simuladas as aberturas de religadores, onde é possível escolher uma lista de religadores que foram
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abertos pelo sistema de proteção da concessionária.
B) Aba Religadores
Na Figura 5 é representada a topologia dos religadores de acordo com a rede de Aquiraz. Na tela constam informações
do tipo: nome do religador, estado do religador (quadrado preenchido significa religador fechado; o contrário, religador
aberto), origem (trecho a montante do religador), destino (trecho a jusante do religador), corrente medida pelo religador
(em amperes) e flag, indicando o sentido de corrente de carga (quando clicado o sentido é origem - destino).
Figura 5 - Aba Religadores.
C) Aba Elementos
Nesta aba, apresentada na Figura 6, são apresentados todos os elementos (transformadores, barramentos e
religadores) do sistema de distribuição de Aquiraz, divididos nas seguintes áreas: Elementos, Capacidade, Prioridade,
Fonte Inicial, Fonte Atual, Cliente, Tipo, Em Falta, EletroDep (Eletrodependente), Vivacidade e Fonte, que correspondem:
Elementos: Área que nomeia os elementos do sistema (código), os quais são divididos em trecho, barramento,
fonte/transformador.
Capacidade: Expõe a capacidade de condução de cada elemento (em amperes). No caso de elementos tipo
trechos/barramento essa característica representa a capacidade do condutor; em elementos do tipo
fonte/transformador indica a capacidade de fornecimento de energia.
Prioridade: Indica a prioridade de recomposição de cada elemento da rede, podendo esse campo ser modificado
de acordo com a exigência escolhida: número de clientes e eletrodependentes, ou outro critério a escolha da
concessionária.
Fonte inicial: Indica a fonte que alimenta o elemento correspondente antes de uma possível recomposição.
Fonte atual: Indica a fonte que alimenta o elemento correspondente após uma possível recomposição.
Cliente: Indica o numero de clientes que estão conectados ao determinado elemento.
Tipo: Indica o tipo do elemento (1:fonte, 2:barramento, 3:trecho).
Em Falta: Indica o estado do elemento. Se o elemento se apresentar em estado defeituoso será assinalado.
Eletrodependente: Sinaliza se no elemento está conectado algum consumidor eletrodependente.
Vivacidade: Se o campo estiver marcado indica que o elemento correspondente se apresenta energizado.
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Fonte: Indica se o elemento correspondente é fonte (assinalado) ou não.
Figura 6 - Aba Elementos.
D) Simulação
Na tela principal apresentada na Figura 7 é mostrado novamente o diagrama unifilar da rede Aquiraz, com algumas
alterações dos estados dos elementos devido a uma falta em T7 e recomposição de T8 através do fechamento do
religador RL3. Os transformadores foram nomeados (01T1 e 01T2) de acordo com o padrão da concessionária, bem
como as subestações Aquiraz (AQZ), Eusébio (ESB), e Água Fria (AGF). Os religadores e trechos também são
nomeados de acordo com as listas apresentadas nas abas Religador e Elementos, respectivamente. Com a legenda é
possível identificar algumas características da rede como: tensão de distribuição, tensão de transmissão e estado dos
religadores.
No caso de ocorrer uma falta em um trecho, o símbolo "raio amarelo" irá ficar piscando naquele trecho e, no caso de um
trecho estar desenergizado (característica da Vivacidade), a linha do trecho do diagrama ficará na cor laranja (como
pode ser visto no trecho T7), diferente do outro estado, energizado (demais trechos), que ficará da cor azul (ver Figura 7).
Outro dado importante está exposto no diagrama: número de clientes energizados e número de clientes desenergizados.
Estes dados são calculados automaticamente pelo SRA e mostram a quantidade e a porcentagem dos clientes afetados
por uma possível falta na distribuição. O número de clientes é encontrado de acordo com a vivacidade de cada trecho.
As ações de simulação são feitas com a utilização dos botões "play azul" (ver Figura 4) e Reiniciar. A utilização desses
botões é registrada na lista do log indicando a hora e data da ação realizada.
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Figura 7 - Simulação falta em T7.
Estudo de Caso
Para demonstrar a eficiência do SRA, esta seção apresenta um exemplo de ocorrência de falta em um dos
alimentadores da subestação AQZ e as ações realizadas pelo SRA.
Considere que a rede de distribuição está operando em seu estado normal, como mostrado anteriormente na Figura 2.
Ao simular uma falta no trecho T12, as funções de proteção dos relés associados aos religadores RS6, RS5 e 21I7
serão sensibilizadas, gerando eventos de partida das funções de proteção simuladas. Neste caso, em uma condição
normal, o religador RS6 a montante do trecho em falta deve abrir retirando a parte afetada pela falta. Considerando
nesta simulação uma falha de abertura do religador RS4 e a descoordenação entre os relés associados aos religadores
21I4 e RS5, o relé associado ao religador 21I4 atua abrindo este religador e retirando todo o alimentador de serviço,
conforme ilustrado na simulação apresentada na Figura 8. Neste caso, o SRA identifica a falta presente no trecho T12 e
efetua o seu isolamento abrindo o religador RS5, já que o religador RS6 apresentou defeito, e posteriormente fecha o
religador 21I5 para recompor o trecho T10 que foi afetado. O SRA sempre tentará recompor um trecho não defeituoso
de maneira que a fonte inicial seja conservada. Caso não seja possível a recomposição pela mesma fonte, devido a
alguma restrição anteriormente comentada (capacidade da fonte ou ampacidade do cabo), o trecho não defeituoso será
recomposto por outra fonte, se não houver violação de restrições.
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Figura 8 - Resultado da recomposição. Falta em T7 e T12.
Efetuando esse estudo de caso através do simulador do SRA, a lista sequencial de eventos é mostrado na Figura 9.
Figura 9 – Dados recebidos do Sistema de Proteção.
Analisando a sequência de eventos da Figura 9, é possível perceber que as funções de proteção dos três religadores
(RS6, RS5 e R21I4) partiram, mas que a função falha do religador RS6 atuou, (função 62BF), indicando que este
religador falhou e que o religador R21I4 abriu, indicando que houve uma descoordenação com o religador RS5, uma vez
que este religador deveria ter atuado.
Concluindo a simulação, o resultado obtido pelo SRA após a recomposição é apresentado na Figura 10.
Figura 10 – Resultado obtido pelo SRA após recomposição.
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Como pode ser visto, o SRA foi capaz de analisar falha de equipamento e descoordenação da proteção e restabelecer o
trecho T10 sem intervenção humana. O trecho T11 não foi recomposto devido à falha do religador RS6.
Deve-se destacar a importância das contingências nessa simulação de recomposição. Como o trecho T10 já era
normalmente alimentado pela SE AQZ, a restrição operacional de suprimento foi atendida sem dificuldades, juntamente
com a de capacidade de condução do próprio trecho.
A velocidade de resposta do SRA é quase instantânea, dessa forma, a recomposição em um sistema real ficaria limitado
ao tempo gasto na comunicação entre os equipamentos de campo.
Como já comentado, a informação da quantidade de clientes desenergizados é fornecido na tela do programa. Nesse
estudo de caso, dos 5388 clientes desenergizados inicialmente, pôde-se recompor energia para aproximadamente 69%
destes (3735 clientes), representando 15% do total de clientes da rede da região de Aquiraz.
Integração, Implementação e Validação do SRA.
O SRA está sendo implantado no centro de controle do sistema (CCS) da Coelce integrado ao Sistema de Apoio à
Condução (SAC), conforme ilustrado na Figura 11.
Figura 11 - SRA integrado ao Sistema de Gerenciamento da Distribuição (DMS) da Coelce.
A integração entre o SRA e o DMS da Coelce é baseada na norma IEC 60870-6 (ICCP). O protocolo ICCP é utilizado
para comunicação entre centros de controle e entre aplicações em um mesmo centro de controle. O sistema DMS da
Coelce é composto principalmente pelo SCADA, que faz a comunicação com os sistemas digitais de automação das
subestações e religadores da rede de distribuição e pelo SAC, que, entre outras funções, recebe as informações do
SCADA, organiza (o que?) de acordo com as interligações do sistema elétrico e disponibiliza uma interface gráfica para
o usuário. O protocolo ICCP foi escolhido por estar disponibilizado no SAC e por ser um protocolo padrão de mercado,
facilitando a implementação.
A implementação do SRA encontra-se atualmente na fase de testes de integração e apresenta resultados promissores
para aplicação no CCS da Coelce.
3. Conclusões
Neste artigo foi apresentado o estágio atual de desenvolvimento do Piloto de Redes Inteligentes para Automação do
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Sistema Elétrico de Distribuição da Cidade de Aquiraz, pertencente à Companhia Energética do Ceará - Coelce. O SRA
modelado em Redes de Petri Coloridas e desenvolvido em C# foi testado em modo off-line através de um sistema
simulador desenvolvido para este fim, apresentando bom desempenho. Está em curso a integração do SRA ao sistema
SCADA no Centro de Controle do Sistema da Coelce.
Os resultados obtidos nas simulações off-line demonstram que o SRA apresenta bom desempenho, proporcionando
rapidez e confiabilidade na recomposição da rede elétrica de Aquiraz. Para a recomposição da rede elétrica são
consideradas restrições operativas tipo ampacidade dos cabos, capacidade disponível das subestações supridoras,
número de clientes desenergizados, potência não disponível e a presença de clientes especiais.
O SRA traz grandes benefícios em especial à concessionária, aos usuários da rede elétrica e toda a cadeia de
provedores de equipamentos inteligentes para a rede elétrica e rede de comunicação.
4. Referências bibliográficas
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Desenvolvimento de um Sistema de Reposição Automática para um Projeto Piloto de Redes Inteligentes. In: XX
Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica. SENDI 2012. Rio de Janeiro - RJ – Brasil.3. C. J. S. MOURA. “Estudo para Implantação de um Sistema de Recomposição Automática para a Rede de
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