Desenvolvimento de Software para Gerenciamento

e Análise dos Distúrbios da Qualidade da Energia

Elétrica em Redes de Distribuição

Job de Figueiredo S. Alves; Thais M. Abadio; Felipe T. Vicente; José Rubens M. Jr.; Carlos Eduardo Tavares;

Isaque N. Gondim; Arnaldo José F. Rosentino Jr; João Areis F. Barbosa. Jr.

Resumo Este artigo apresenta os principais resultados de um

projeto de pesquisa e desenvolvimento voltado para a análise dos

impactos dos distúrbios da qualidade da energia elétrica (QEE)

em redes de distribuição, no qual foram desenvolvidos dois

sistemas computacionais específicos. O Sistema de Gestão de

Medições de Parâmetros da Qualidade da Energia Elétrica –

SigQEE, teve como objetivo a gestão dos resultados das medições

de parâmetros da QEE, realizadas em mais de 2000 pontos

distintos em cinco distribuidoras do Grupo Energisa. O Power

Quality Analyzer - PQA, ambiente de simulação computacional,

permite avaliar os impactos dos distúrbios da QEE causados por

cargas perturbadoras, assim como realizar estudos associados

com a propagação dos fenômenos associados à QEE nas redes de

distribuição.

Palavras-chaves PRODIST, Campanha de Medição,

Simulador Computacional, Qualidade da Energia Elétrica.

I. INTRODUÇÃO

A preocupação com a qualidade do fornecimento da energia

elétrica é uma questão que vem se destacando cada vez mais

nos últimos anos, sobretudo devido à combinação de fatores,

tais como: maior esclarecimento por parte dos consumidores,

a grande dependência de equipamentos eletroeletrônicos nas

residências, comércios e indústrias e o aumento da

sensibilidade desses mesmos componentes frente aos desvios

da tensão de alimentação em relação ao padrão esperado como

ideal [1]. Tais desvios, dependendo de sua severidade, podem

acarretar sérios danos aos dispositivos, provocando desde a

queima de eletrodomésticos até reflexos econômicos devido a

paradas das linhas de produção industrial. Esse fato tem

motivado uma grande discussão envolvendo pesquisadores,

engenheiros e agentes reguladores, quanto ao estabelecimento

de limites e indicadores para os diversos fenômenos

associados a qualidade da energia elétrica, a exemplo do

módulo 8 do PRODIST da ANEEL [2].

A inserção cargas potencialmente perturbadoras, sem prévia

consulta das concessionárias, podem comprometer a qualidade

da energia elétrica na rede de distribuição, causando impactos

como o mau funcionamento de máquinas e equipamentos,

aumento das perdas elétricas, etc. A ausência de informações

sobre estas cargas, bem como de programas computacionais

para simulação dos impactos da conexão das mesmas nos

sistemas de distribuição, dificultam o desenvolvimento de

ações mitigadoras prévias por parte das distribuidoras de

energia elétrica.

Buscando-se um equacionamento para tais questões, a seção

8.3 do PRODIST, a qual trata das Disposições Transitórias,

propõe: a implantação dos indicadores de qualidade do

produto para os fenômenos harmônicos, desequilíbrio de

tensão, flutuação de tensão e variação de tensão de curta

duração; o estabelecimento dos valores limites para os

parâmetros definidos; a realização de campanhas de medições

dos indicadores de qualidade definidos, e por fim, a definição

de ferramentas ou programas computacionais para simulações

e cálculos, a serem avaliados pela ANEEL [2].

Diante do exposto, surge o presente trabalho, o qual objetiva

oferecer um instrumento balizador para tomada de decisão das

concessionárias quando da conexão de cargas potencialmente

perturbadoras aos seus sistemas. Esta ferramenta contribuirá

para as futuras decisões de aprimoramento regulatório a serem

tomadas pela ANEEL. Para tanto, foi realizada uma campanha

de medição em pontos estratégicos de toda a rede de

distribuição das áreas de concessão de cinco diferentes

distribuidoras do Grupo Energisa, quais sejam: Energisa

Paraíba, Energisa Sergipe, Energisa Borborema, Energisa

Minas Gerais e Energisa Nova Friburgo. Esta campanha de

medição fornece informações detalhadas sobre as atuais

condições da qualidade da energia elétrica nos sistemas de

distribuição do grupo Energisa, frente aos indicadores já

estabelecidos.

Dada a quantidade massiva de registros de medições

oriundos desta campanha, foi identificada a necessidade de

desenvolvimento de um programa para gestão e análise destas

informações. Nesse sentido, foi então desenvolvido o Sistema

de Gestão das Medições dos Parâmetros da Qualidade da

Energia Elétrica - SigQEE. Este programa permite a

visualização gráfica de todas as grandezas de um determinado

ponto medido, assim como a emissão de relatórios.

Adicionalmente, foi desenvolvido um segundo aplicativo

computacional, baseado em técnicas de modelagem no

domínio do tempo, denominado Power Quality Analyzer

(PQA). Este programa é capaz de simular, através de modelos

elétricos equivalentes de cargas perturbadoras, os possíveis

impactos da conexão destas cargas na rede elétrica da

concessionária, permitindo analisar, de forma preventiva, a

necessidade de exigência de ações mitigadoras. A

aplicabilidade do PQA para análises relativas à conexão de

cargas perturbadoras nas redes de distribuição em baixa tensão

e em média tensão são indicados na Fig. 1 e Fig. 2,

respectivamente.

Fig. 1. Aplicabilidade do PQA em redes de distribuição em baixa tensão.

Fig. 2. Aplicabilidade do PQA em redes de distribuição em média tensão.

II. CAMPANHA DE MEDIÇÃO E BANCO DE DADOS PARA

GERENCIAMENTO DAS INFORMAÇÕES

A campanha de medição realizada no sistema de

distribuição do grupo Energisa possibilita o conhecimento das

reais condições de operação das redes elétricas da

concessionária, tanto no que se refere ao perfil de consumo de

seus clientes, quanto aos indicadores da qualidade do produto.

O conhecimento destas informações é extremamente

importante para a política de planejamento da empresa, no que

se refere a realização de obras de manutenção, expansão de

rede, remanejamento de cargas e, principalmente, no

atendimento aos padrões recomendados pelo Poder

Concedente. Dentre os vários fatores envolvidos que

nortearam o planejamento de uma campanha de medição sobre

QEE, pode-se destacar:

Quantidade e diversidade de consumidores;

Tipo e quantidade de medidores a serem utilizados;

Quantidade de equipes para a instalação dos medidores;

Duração de cada medição e da campanha de medições.

Buscando viabilizar a realização da campanha de medição,

de forma que a mesma contemplasse a maior diversidade de

consumidores e regiões elétricas possíveis, o critério adotado

para a alocação dos medidores tomou por base a segmentação

dos alimentadores de distribuição em 3 (três) regiões distintas,

as quais foram identificadas pelo comprimento do tronco do

circuito primário, conforme indicado na Fig. 3. A primeira

região elétrica, correspondeu ao trecho localizado entre 0 e

30% do comprimento L do alimentador. Já a segunda região,

foi delimitada entre 30 e 70% do mesmo comprimento,

enquanto a terceira região abrangeu a parte final do

alimentador, ou seja, entre 70 e 100% de seu comprimento.

Fig. 3. Regiões de abrangência das medições por alimentador de distribuição.

Além disso, as medições foram classificadas de acordo

com o local da medição a ser realizada. Definindo-se quatro

pontos estratégicos:

Tipo 1: secundário dos transformadores de distribuição

(TRD);

Tipo 2: ponto de derivação (poste) do ramal de ligação

de consumidores de baixa tensão (CLB);

Tipo 3: consumidores de média tensão (A4 e A3a)

(CLM);

Tipo 4: secundário dos transformadores de força das

subestações.

Os quatro tipos de medições consideradas na campanha são

mostrados na Fig. 4.

Fig. 4. Tipos de medições consideradas.

Uma vez identificada a diversidade de consumidores e

regiões elétricas, bem como os tipos de medições a serem

realizadas, determinou-se a quantidade necessária e os tipos de

medidores a serem utilizados durante a campanha, conforme a

seguir:

40 medidores de tensão e parâmetros de qualidade da

energia elétrica tipo IP65. Definiu-se tais medidores

como sendo medidor do tipo A, conforme indicado na

Fig. 5 (a);

17 medidores de tensão, corrente e parâmetros de

qualidade da energia elétrica tipo IP65. Definiu-se tais

medidores como sendo medidor do tipo B, conforme

mostra a Fig. 5 (b);

3 medidores de tensão, corrente e parâmetros de

qualidade da energia elétrica para uso abrigado

(medidor tipo C). Definiu-se tais medidores como

sendo medidor do tipo C, conforme apresenta a Fig. 5

(c).

(a)

Medidor tipo A: Medidor de tensão

(IP65)

(b)

Medidor tipo B: Medidor de tensão e

corrente (IP65)

(c)

Medidor tipo C: Medidor de tensão e corrente (uso

abrigado)

Fig. 5. Medidores utilizados na campanha de medição nas redes de

distribuição do grupo Energisa

Os equipamentos utilizados durante a campanha de

medição permitem o registro das seguintes grandezas:

Tensão eficaz;

Corrente eficaz (apenas medidores do tipo B e C);

Variações de tensão de curta duração (EMT e AMT);

Registro dos perfis RMS de tensão associados a

eventos;

Desequilíbrio de tensão;

Flutuação de tensão (Pst e Plt);

Distorções harmônicas totais e individuais até a 50ª

ordem;

Potência aparente, ativa e reativa (apenas medidores

do tipo B e C);

Fator de potência (apenas medidores do tipo B e C);

Frequência.

Outro fator essencial para realização da campanha de

medição consistiu no treinamento das equipes de campo para

a correta parametrização, instalação e retirada dos medidores,

e exportação dos dados obtidos. A Fig. 6 mostra medidores

instalados pela equipe de campo no centro de treinamento da

empresa.

Fig. 6. Medidores instalados no centro de treinamento da empresa.

Durante a campanha de medição, foram constatadas

algumas falhas, conforme destacadas a seguir:

Falhas de procedimento das equipes terceirizadas,

responsáveis pela instalação dos medidores, apesar do

intensivo treinamento realizado. Por exemplo, pode-se

citar a conexão ruim de garras de tensão em cabos

piloto (destinados à iluminação pública) dos circuitos

de BT, resultando registros conforme mostrado na Fig.

7;

Problemas de hardware, levando à necessidade de

recall em alguns medidores;

Falhas nos conectores de tensão devido aos efeitos de

oxidação das garras, conforme apresenta a Fig. 8.

Fig. 7. Falha de procedimento com instalação da garra de tensão da

fase A no cabo piloto de iluminação pública.

Fig. 8. Oxidação das garras de tensão dos medidores.

Estas falhas resultaram em constantes perdas de registros e

consequentes retrabalhos, onerando substancialmente os

custos e os prazos de instalação dos medidores. Dessa forma,

para campanhas de medições subsequentes é essencial o uso

de outros medidores a fim de detectar se os problemas estão

vinculados mais a falhas do próprio medidor, ou a falhas de

procedimento.

Após a realização da campanha de medição nas redes de

distribuição do Grupo Energisa, a próxima etapa consistiu no

armazenamento, análise e processamento do grande volume de

dados adquiridos. Para tanto, foi desenvolvido um Sistema de

Gestão de Medições de Parâmetros da Qualidade da Energia

Elétrica (SigQEE).

O aplicativo SigQEE, além de unir todas as informações

das medições, possui diversas ferramentas e funcionalidades

de gerenciamento, as quais permitem:

Visualização gráfica das informações;

Exportação dos gráficos e dos dados das medições;

Comparação de resultados de diferentes consumidores;

Agrupamento dos dados por tipo de medição;

Agrupamento das informações por unidade

consumidora;

Agrupamento das informações por tipo de grandeza;

Relatório gerencial;

Relatório de medição de cada unidade consumidora;

Tabela de eventos por instalações;

Parametrização dos limites dos indicadores de

qualidade.

A título de ilustração, a Fig. 9 mostra a tensão eficaz de um

consumidor no SigQEE. Já a Fig. 10 apresenta um relatório de

medição de uma unidade consumidora, sintetizando os

principais indicadores de qualidade da energia elétrica.

Fig. 7. Representação da tensão eficaz de uma instalação no programa

SigQEE.

Fig. 8. Relatório de medição de uma unidade consumidora no programa

SigQEE.

IV. PROGRAMA POWER QUALITY ANALYZER - PQA

O aplicativo computacional denominado PQA (Power

Quality Analyzer) foi implementado de forma a proporcionar

simulações no domínio do tempo visando facilitar a avaliação

técnica dos impactos da inserção e retirada de cargas

perturbadoras da rede elétrica, assim como os impactos da

propagação de distúrbios elétricos nas redes de distribuição da

concessionária.

A Fig. 11 apresenta a interface gráfica do programa PQA,

desenvolvida em linguagem C#, a qual é composta por uma

área para edição e montagem do circuito elétrico da rede de

distribuição. Nesta área específica do programa, todos os

comandos e campos são dispostos de forma direta e prática,

onde o usuário visualiza facilmente os instrumentos ou opções

de trabalho.

Barra de Ferramentas

Barra de Componentes do Sistema

Area de Desenho

Fig. 11. Interface gráfica do PQA

No módulo de configuração do sistema são

disponibilizados componentes como: fonte de tensão,

transformadores, banco de capacitores, dispositivos de

manobra e proteção (disjuntor, chave-fusível e para-raios),

cargas P e Q, cabos elétricos, distúrbios da QEE, analisador da

qualidade da energia elétrica e o próprio consumidor. Já o

módulo de edição permite a caracterização dos principais

parâmetros dos dispositivos e fenômenos elétricos

constituintes do sistema elétrico.

Para que a montagem do sistema se torne prática, apenas

os dados essenciais de cada componente são solicitados, ou

seja, algumas propriedades, são calculadas internamente

através de equações clássicas. Por exemplo, pode-se citar o

caso das características não lineares de transformadores e para-

raios. Outra opção, que torna o programa ainda mais prático,

consiste na disponibilização de um banco de dados pré-

definido para alguns componentes.

As cargas lineares e não lineares existentes nas redes de

distribuição foram modeladas no domínio do tempo, e

inseridas no PQA, com o objetivo de analisar seu impacto na

rede elétrica de uma forma mais próxima da realidade. Dentre

estas pode-se destacar: sistema fotovoltaico, máquina de solda,

motor trifásico, carga hospitalar, sistema eólico. Algumas das

cargas modeladas e implementadas são indicadas pela Fig. 12.

Sistema Fotovoltaico

Maquina de Solda

Motor Trifásico

Carga Hospitalar

Fig. 12. Cargas lineares e não lineares modeladas no programa PQA

Além de possibilitar a análise do impacto de qualidade de

energia elétrica causado por cargas potencialmente

perturbadora, o PQA proporciona a avaliação dos impactos

causados pela propagação de distúrbios da qualidade da

energia elétrica ao longo da rede de distribuição. Este estudo

permite para a concessionária uma melhor análise de seus

planos de expansão e melhorias de rede, e estabelecer as

possíveis causas de perturbações no sistema de distribuição. A

Fig. 13 mostra a tela, destacando as fontes de distúrbios de

qualidade da energia elétrica implementadas no PQA, tais

como: variações de tensão de curta duração (VTCD),

flutuações de tensão, distorções harmônicas, desequilíbrios.

Observa-se que o programa permite ainda, a inserção de

medições das tensões reais verificadas nos barramentos do

sistema.

É importante salientar que tanto as modelagens das cargas

lineares e não lineares, bem como os tipos de distúrbios

implementados no PQA foram validados, comparando-se com

resultados obtidos no programa ATP/EMTP.

Fig. 13. Fonte de distúrbios da qualidade da energia elétrica – PQA

Em fase de desenvolvimento, encontra-se uma ferramenta

para extração de dados da rede elétrica representada no

cadastro georeferenciado da distribuidora. Este aplicativo

permitirá a importação de circuitos secundários, alimentadores

e subsistemas elétricos de forma direta, e consequentemente

otimizará tempo para a construção do diagrama elétrico no

programa.

V. ESTUDO DE CASO UTILIZANDO O PROGRAMA PQA

Para fins de ilustração da potencialidade e do processo de

aplicação da metodologia e do programa PQA, a Fig. 14

mostra a modelagem de uma rede de distribuição,

contemplando a conexão de uma carga hospitalar em um

circuito secundário de baixa tensão. Este caso corresponde a

um estudo hipotético da conexão de um aparelho de

ressonância magnética, onde será analisado seu impacto na

rede elétrica.

Scc 3700 MVA

138 kV 13,8 kV 13,8 kV 220 V 220 V 220 VTrafo SE40 MVA

X: 20,6 % R: 3,2%

Trafo DT112,5 kVA

X: 3,2 % R: 1,4%

Y∆ Y∆

Cabo de Aluminio 201 mm² – 0,9 Km

Cabo de Aluminio 53 mm² – 0,1 Km

Medidor

Fig. 14. Rede de distribuição empregada para os estudos computacionais. Conforme pode ser observado na Fig. 14, no aplicativo PQA

foi desenvolvido um medidor, o qual propicia diversas

análises, tais como: desequilíbrios de tensão, distorção

harmônica total e individual de tensão e corrente, potência

aparente, ativa e reativa, fator de potência, variação de tensão

de curta duração (VTCD), flutuações de tensão, DRP e DRC.

Assim, através desse medidor computacional, é possível

monitorar e avaliar impactos de novas cargas perturbadoras a

serem conectadas na rede elétrica sob análise. Nesse sentido,

após a simulação do caso em pauta, a Fig. 15 (a) e (b) mostram,

respectivamente, as formas de onda da tensão e da corrente no

ponto de conexão. A Fig. 16 mostra a potência aparente da

carga em estudo.

(a)

(b)

Fig.15. Formas de onda da tensão e corrente na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética.

Fig.16. Potência Aparente do Aparelho de Ressonância Magnética.

A tensão eficaz é apresentada juntamente com as faixas

definidas no Módulo 8 do PRODIST, conforme indicado pela

Fig. 17. Observa-se que após a inserção do equipamento de

ressonância, a tensão eficaz permaneceu na faixa adequada

durante todo o tempo.

Fig.17. Tensão RMS na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética.

No que tange ao desequilíbrio de tensão, para o nível de

tensão de 220V, recomenda-se um valor até 2%. A Fig. 18

destaca que após a inserção da carga, verificou-se um

desequilíbrio de aproximadamente 0,5%, portanto, dentro do

limite adequado.

Fig.18. Desequilíbrio de tensão na entrada do Aparelho de Ressonância

Magnética.

Por fim, os resultados para as distorções harmônicas de

tensão e corrente para o caso apresentado encontram-se na Fig.

19 (a) e (b), respectivamente. Observa-se que os limites de

distorção total e individual de tensão (barras amarelas) não

foram superados em qualquer uma das fases. Por exemplo,

tomando-se a distorção total de tensão, o maior valor foi de

aproximadamente 1,25% na fase B. Para baixa tensão,

recomenda-se um valor até 10%. No que tange, distorção

harmônica corrente, não há limites recomendados pelo

PRODIST. Para a fase A, por exemplo, a distorção harmônica

total de corrente foi em torno de 40%.

(a)

(b)

Fig.19. Distorção Harmônica de Tensão e de Corrente na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética.

VI. CONCLUSÕES

Uma estratégia de campanha de medição e um aplicativo

(SigQEE) para gerenciamento dos dados obtidos foram

apresentados neste trabalho. O aplicativo foi empregado para

avaliar o desempenho da rede elétrica em relação as normas e

recomendações vigentes no Brasil. Uma segunda etapa do

projeto consistiu em desenvolvimentos e modelagens

computacionais representativas dos equipamentos encontrados

nas redes de distribuição de energia, resultando em programa

de análise da qualidade da energia elétrica, denominado PQA.

A análise da consistência dos desempenhos obtidos pelo

aplicativo PQA ofereceram resultados iniciais bastante

consistentes com a proposição inicial do projeto. Vários

outros testes avaliativos, empregando distintos arranjos de

distribuição, equipamentos e distúrbios, foram realizados. Não

obstante o fato de que os autores reconheçam o bom

desempenho obtido pelos aplicativos desenvolvidos,

reconhece-se a necessidade de investigações complementares

para a consolidação do processo e melhorias das ferramentas

disponíveis a exemplo da possibilidade de importação dos

parâmetros de uma rede elétrica real através do sistema

georeferenciado das distribuidoras. A realização das

campanhas de medição, até o momento, além de ter apontado

o nível de complexidade envolvido nesse tipo de proposta de

trabalho de campo, tem permitido a realização de análises para

avaliação de desempenho através do programa PQA.

VII. REFERÊNCIAS

[1] WANG, Y. J. Analysis of Effects of Three-Phase Voltage Unbalance on

Induction Motors with Emphasis on the Angle of the Complex Voltage Unbalanced Factor. IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 16, no. 3,

2001, p. 270- 275.

[2] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica – PRODIST, Módulo 8 Revisão 4, 2011, p 1-76.

[3] NRS 048 - Part 2: Voltage characteristics, compatibility levels, limits and

assessment methods, 2003, P 1-31. [4] MACEDO Jr, José Rubens; Gondim, I. N; Barbosa Jr, João A. F; Arnaldo

J. P. Rosentino Jr; Tavares, C. E. Practical Aspects of Performance Tests

on Power Quality Analyzers. Renewable Energy & Power Quality Journal (RE&PQJ), v. 10, p. 705-705, 2012.