engenharia eletrica

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Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de Oliveira
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Introdução a Engenharia Elétrica
Energia
Leonardo Willer de Oliveira
leonardo.willer@ufjf.edu.br
11/06/2013
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de Oliveira
Apresentação
Formação Acadêmica
� Graduação em Engenharia Elétrica (1997-2002)
2
� Mestrado em Engenharia Elétrica (2003-2005)
� Doutorado em Engenharia Elétrica (2006-2009)
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Leonardo Willer de Oliveira
Apresentação
Linhas de Pesquisa
� Planejamento de Sistemas Elétricos de Potência
� Otimização de Sistemas de Potência
� Proteção de Sistemas de Potência
3
� Proteção de Sistemas de Potência
� Planejamento Energético
Grupos de Pesquisa
� Núcleo de Pesquisa em Sistemas de Potência (NUPESP)
� Otimização Heurística e Bioinspirada (líder)
� Grupo de Planejamento Energético (PLANERG) 
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Leonardo Willer de Oliveira
Apresentação
Experiência Profissional
� 2007-2009: Professor Substituto
Curso: Engenharia Elétrica - Departamento de Energia Elétrica
4
� 2010: Professor Efetivo
Curso: Engenharia Mecatrônica
� 2010-2013: Professor Efetivo
Curso: Engenharia Elétrica - Departamento de Energia Elétrica
2012 – Vice-coordenador do Curso de Eng. Elétrica – Energia
Membro do NDE do Curso de Eng. Elétrica - Energia
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Habilitação Energia
Perfil do Profissional
Profissional capacitado a discutir e propor soluções aos desafios
contemporâneos na área de conversão, transporte e uso final de
energia, em suas mais diversas formas de manifestação.
5
, em suas mais diversas formas de manifestação.
Tal profissional compreende seu papel crítico e atuante na sociedade
e no desenvolvimento do país, reconhecendo as implicações
políticas, econômicas, sociais e ambientais de suas intervenções
profissionais.
Além disso, este profissional desenvolve competências ao longo do
curso que o habilita ao exercício pleno das funções de Engenheiro
Eletricista
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Habilitação Energia
Habilidades e Competências
� Propor soluções relacionadas ao setor energético
� Projetar, planejar e analisar os sistemas energéticos
� Desenvolver tecnologias para racionalização do uso de energia 
6
� Desenvolver tecnologias para racionalização do uso de energia 
em processos industriais
� Desenvolver e identificar técnicas para manutenção de sistemas 
energéticos
� Fazer a avaliação econômica de projetos energéticos
� Realizar a gestão de sistemas energéticos
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Habilitação Energia
Conhecimentos Essenciais
� Formação básica 
(Matemática, Física, Eletromagnetismo, Circuitos Elétricos, Controle e Eletrônica)
� Termodinâmica
7
� Termodinâmica
� Máquinas Térmicas
� Fontes Primárias de Energia
� Eficiência Energética
� Transporte de Energia
� Planejamento Energético
� Mercado Energético
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Habilitação Energia
Conhecimentos Complementares
� Sistemas de Potência
� Instalações Elétricas Industriais
� Otimização
8
� Otimização
Ênfases da Habilitação
� Fontes Alternativas
� Planejamento Energético
� Co-geração de Energia
� Mercados de Energia Elétrica
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Habilitação Energia
Atividades de Laboratório
� Laboratório de Programação
� Laboratório de Física I
� Laboratório de Química
9
� Laboratório de Química
� Laboratório de Eletrotécnica
� Laboratório de Ciências
� Laboratório de Circuitos Elétricos
� Laboratório de Eletrônica
� Laboratório de Conversão
� Laboratório de Controle
� Laboratório de Energia Solar
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Leonardo Willer de OliveiraEstrutura do Sistema 
Elétrico de Potência (SEP)
1010
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Leonardo Willer de Oliveira
� Segmentos 
Geração Transmissão Distribuição Consumo
Estrutura do SEP
1111
� Composição Básica
� Geradores – Transformadores – Linhas de Transmissão
� Motores (cargas dinâmicas) 
� Cargas Estáticas
� Dispositivos de comando e proteção
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Leonardo Willer de OliveiraCaracterística do Sistema 
Elétrico-Energético Brasileiro (SEB)
CARACTERÍSTICAS DO SEB:
� Sistema hidrotérmico de grande porte
� Predominância de usinas hidraúlicas 
� Único em âmbito mundial 
(tamanho e características)
1212
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Leonardo Willer de Oliveira
41 38 40 42
44 46
48 50
53 56
59 62
64
50
60
70
41 38 40 42
44 46
48 50
53 56
59 62
64
50
60
70
41 38 40 42
44 46
48 50
53 56
59 62
64
50
60
70
Evolução do Consumo de
Energia Elétrica no Brasil
41 38 40 42
0
10
20
30
40
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
G
W
a
n
o
Crescimento anual ≈ 5% Projeção
41 38 40 42
0
10
20
30
40
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
G
W
a
n
o
41 38 40 42
0
10
20
30
40
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
G
W
a
n
o
Crescimento anual ≈ 5% Projeção
13Fonte: ONS 13
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Integração Eletroenergética
14Fonte: ONS
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Leonardo Willer de OliveiraPotencial Hidráulico 
Brasileiro Total e Explorado
258,41
150
200
250
300
P
o
t
e
n
c
i
a
l
 
(
G
W
)
28,2
41,0
47,8
40,4
30,0
40,0
50,0
60,0
P
o
t
e
n
c
i
a
l
 
E
x
p
l
o
r
a
d
o
 
(
%
)
78,716
42,03
26,268
111,396
0
50
100
150
Brasil Sudeste Sul Nordeste Norte
P
o
t
e
n
c
i
a
l
 
(
G
W
)
28,2
8,9
0,0
10,0
20,0
30,0
Brasil Sudeste Sul Nordeste Norte
P
o
t
e
n
c
i
a
l
 
E
x
p
l
o
r
a
d
o
 
(
%
)
15
16
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Leonardo Willer de Oliveira
Diagrama Esquemático das UHEs
R
i
o
 
C
o
r
u
m
b
á
R
i
o
 
P
a
r
a
n
a
í
b
a
R
i
o
 
A
r
a
g
u
a
r
i
Corumbá I
Emborcação
Nova Ponte
Miranda
1
3
4
Bacia do Paranaíba
17
Itumbiara
Cachoeira
Dourada
São Simão
2
3
5
6
7 Jusante de C. Dourada
Montante de C. Dourada
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Leonardo Willer de OliveiraRepresentação de Uma 
UHE Com Reservatório
Vertedouro UHE Tucuruí
18
Vertedouro UHE Tucuruí
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Tipos de Turbinas de UHEs
19
Turbina Francis Turbina Pelton
Turbina Kaplan
Bulbo
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Sistema Interligado Nacional (SIN)
20
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Taxa MédiaTaxa Média
Modelo Anterior Modelo Vigente Através das Leis nº 9648/98 e 10848/04
A Evolução da Expansão da 
Transmissão
ONS 21Cerca de 35.584 km em 12 anos
Taxa Média
3,7% a.a.
Taxa Média
6,9% a.a.
Taxa Média
0,96% a.a.
xxx = Extensão total ao fim do ano
xxx = Aumento anualxxx = Previsão até 2014
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As previsões de carga para o SIN utilizadas no PAR apresentam taxas médias de
crescimento da ordem de 5,9 % a.a. no período 2010 a 2015. Para os subsistemas
existentes, as taxas médias de crescimento das previsões de carga para o mesmo
período são as seguintes:
Evolução da Carga do SIN
•Norte*: 11,4 % a.a.
•Nordeste: 5,7 % a.a.
•SECO**: 5,4 % a.a.
•Sul: 5,5 % a.a.
* inclui Tucuruí-Manaus-Macapá
**Inclui AC, RO e MS
22
ONS
Bipolos CC, ±600 kV, 2x3150 MW
Conversoras Back-to-Back, 2X400 MW
2º Circuito
Porto Velho – Rio 
Branco
3º Circuito
Jauru - Porto Velho
FBTBFBTB
Principais Obras Propostas Associadas à Integração do Rio Madeira
RACRORACRO
RACRO - Recebimento Acre-Rondônia pelo SIN 
600/600/270 MW à partir de 2013 
FBTB - Importação do Acre-Rondônia pelo back – to back
600/600/450 MW à partir de 2013
23
Bipolos CC, ±600 kV, 2x2934 MW
LT ±600 kV CC, 2375 km
ONS
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Observações Sobre o SIN
� Atende 98% do mercado de energia brasileiro
� Devido à forte interligação, o nível de investimento em geração pode ser 
diminuídodiminuído
� Complementaridade entre as bacias hidrográficas
24
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Leonardo Willer de Oliveira
© CCEE
Observações Sobre o SIN
25
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Correlação de Regimes Hidrológicos
200 -
160 -
150 -
140 -
120 -
SUDESTE / CO/ N / NE
26
120 -
100 -
80 -
60 -
40 -
20 -
- | | | | | | | | | | | |
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ
SUL
período secoperíodo úmido
MLT
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6.9kV – 30kV
Geração
Tensões de Fornecimento 
de Energia Elétrica
27
230kV – 750kV
69kV – 138kV
13.8 kV-23.1kV-34.5kV
50V-1000V
Transmissão (Rede Básica) 
Subtransmissão
Distribuição em Alta Tensão
Distribuição em Baixa Tensão
27
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Eletricidade Básica
Tensão Contínua
x
Tensão Alternada
28
Tensão Alternada
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V
V(V)
t
Tensão Elétrica Contínua
29
I 
I (A)
t
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Tensão Elétrica Alternada
Tensão Senoidal
30
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Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
Campo MagnéticoEnergia Elétrica Energia Mecânica
3131
Quatro princípios básicos do eletromagnetismo:
1. Lei de Ampère
2. Lei de Faraday
3. Ação Motora
4. Ação Geradora
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Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
1. Lei de Ampère
32
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Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
→ → → →
⋅ = ⋅∫ ∫
l A
H dl J dA
H
→r
l
A
Necessidade de uma Base de Cálculo
33
→ →
⋅ =∫
l
H dl ii
B Hµ
→ →
= ⋅
i: corrente
H: intensidade de campo magnético
B: densidade de fluxo magnético
µ: permeabilidade magnética
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
2. Lei de Faraday
 
B 
θθθθ ( )
cos
cos
A
B dA B A
d B Ad
φ θ
θφ
→ →
= ⋅ = ⋅ ⋅
⋅ ⋅
∫
34
n 
A 
( )cos
ind
d B Ad
e
dt dt
θφ ⋅ ⋅
= − = −
A
B
n
A
B
n
0º B Aθ φ= → = ⋅ 90º 0θ φ= → =
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
� Possibilidades de Indução
� Variação do módulo de B
35
( )cos
ind
d B A
e
dt
θ⋅ ⋅
= −
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Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
� Princípio de Funcionamento do Transformador
36
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Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
� Princípio de Funcionamento do Transformador
37
( )cos
ind
d B A
e
dt
θ⋅ ⋅
= −
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
� Possibilidades de Indução
� Variação do Ângulo (θ)
38
( )cos
ind
d B A
e
dt
θ⋅ ⋅
= −
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de OliveiraConversão Eletromecânica 
de Energia
� Gerador de Tensão
39
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Leonardo Willer de OliveiraPlanejamento de Sistemas 
Hidrotérmicos de Geração
40
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Planejamento da Operação
médio prazomédio prazo horizonte: 5 anoshorizonte: 5 anos
etapas: mensaisetapas: mensais
NEWAVE
curto prazocurto prazo
programaçãoprogramação diáriadiária
horizonte: 1 a 12 meseshorizonte: 1 a 12 meses
etapas: semanaisetapas: semanais
horizonte: 1 semanahorizonte: 1 semana
etapas: ½ horaetapas: ½ hora
DECOMP
DESSEM
41
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Mercados de Energia
Vendedores
Geradores de Serviço Público, Produtores Independentes, Comercializadores 
e Autoprodutores
Ambiente de Contratação 
Regulada
(ACR)
Distribuidores
(Consumidores Cativos)
Ambiente de 
Contratação Livre
(ACL)
Consumidores Livres,
Comercializadores
Contratos resultantes de Contratos resultantes de 
leilões leilões 
Contratos livremente Contratos livremente 
negociadosnegociados
© CCEE
42
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Ambiente de Contratação Livre
Decreto nº 5.163, de julho de 2004
� Operações de compra e venda de energia elétrica, no ACL, envolvem:
• Agentes de Geração 
43
• Agentes de Geração 
• Comercializadores 
• Importadores 
• Exportadores 
• Consumidores Livres (CL)
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Critérios para se Tornar CL
� Consumidores com demanda mínima de 500 kW, atendidos por qualquer tensão
de fornecimento, pode adquirir energia de qualquer fornecedor, desde que a
energia adquirida seja proveniente de PCHs ou de fontes alternativas
� Consumidores especiais: reunião de diversas cargas para totalizar os 500kW e
devem comprar energia exclusivamente de usinas incentivadas (desconto de 50%
na TUST e TUSD)
44
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Evolução dos Consumidores Livres
45
© CCEE
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Contratação de Energia
46
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� Otimização (PO/PM): cálculo dos preços, escolha do portfólio ótimo 
� Estatística: previsão de mercado, preços
� Economia: Regulação econômica, Tarifação 
Problemas em Mercados de Energia
47
� Economia: Regulação econômica, Tarifação 
� Engenharia: Geração, Distribuição, Transmissão,
Regulação técnica
� Oferece problemas em constante transformação
(Regras mudam o tempo todo)
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Fontes Alternativas de Energia
48
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Fontes Alternativas de Energia
Fontes de Produção de Energia
BRASIL 2010
RENOVÁVEIS = 87,2%
MUNDO 2008
RENOVÁVEIS = 18,7%
Hidráulica
1,9%
Outras 
Nuclear
13,5%
Hidráulica (1)
81,2%
49
1 Inclui importação2 Inclui gás de coqueria
3 Inclui lenha, bagaço de cana, lixívia e outras recuperações
Outras (4)
2,8%
Carvão e 
Derivados
41,0%
Derivados de 
Petróleo
5,5%
Gás Natural
21,3%
Fontes: EPE [BEN 2011 – Resultados Preliminares] 
e IEA [Key World Energy Statistics - 2010]
Biomassa (3)
5,6%
Carvão e 
Derivados (2)
1.3%Derivados de 
Petróleo
3,1%
Gás Natural
5,8%Nuclear
2,6%
Eólica
0,4%
4 Inclui geotermal, solar, eólica, combustíveis renováveis, rejeitos e lenha
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de Oliveira
Energia Eólica
POTENCIAL ESTIMADO
143,5 GW ou 272,2 TWh/ano 
(equivalente a 53% do mercado 
atual de energia elétrica) 
Este potencial é 
certamente maior!
(medição acima de 100 m)
CEPELFonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro [ CEPEL 2001 ]
(medição acima de 100 m)
> 300 GW
50
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� Vantagens e Desvantagens
�Vantagens:
• Renovável;
• Não-Poluente;
Energia Eólica
�Desvantagens:
• Natureza Probabilística da Velocidade dos Ventos
� Intermitência;
� Variabilidade.
• Geradores Assíncronos
� Requisitos de Suporte de Potência Reativa
• Não-Poluente;
• Abundante;
• Barata.
51
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Pesquisa Correlata
Support Requirements for Reactive Power and Transmission 
Reinforcement for Wind Power Plants Operation
� Objetivo: Determinar os requisitos de suporte de potência reativa e de 
reforços na rede de transmissão para:
� Assegurar uma operação viável do sistema;
� Minimizar os custos operacionais;
� Minimizar os custos de investimento. 52
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Eficiência Energética
Ministério de 
Minas e Energia
Programas Nacionais
53
ELETROBRÁS PETROBRÁS ANEEL
DDE
PROCEL CONPET PEE
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Programas de Eficiência Energética
� PBE – Lançado em 1984
� Aplicado a fabricantes e fornecedores
PROCEL – Lançado em 1985
54
� PROCEL – Lançado em 1985
� CONPET – Lançado em 1991
� PEE da ANEEL – Lançado em 2000
� Aplicado às distribuidoras de energia
� Lei 10.295 (Lei da Eficiência Energética) – Outorgada em 2001
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de OliveiraLei da Eficiência Energética -
Resultados
Equipamentos Regulamentados (2002 a 2010)
� Motores Elétricos de Indução Trifásicos – Decreto nº 4.508/2002 
Programa de Metas – Portaria Interministerial nº553/2008 
� Lâmpadas Fluorescentes Compactas – Portaria Interministerial n° 132/2006 
Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 1008/2010 
55
Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 1008/2010 
� Refrigeradores e Congeladores - Portaria Interministerial n° 362/2007 
Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 326/2011 
� Fogões e Fornos a Gás - Portaria Interministerial n° 363/2007 
Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 325/2011 
� Condicionadores de Ar - Portaria Interministerial n° 364/2007
Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 323/2011
� Aquecedores de Água e Gás - Portaria Interministerial n° 298/2008 
Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 324/2011 
� Reatores Eletromagnéticos para LVSAP e VM – Portaria Interministerial nº 959/2010
� Lâmpadas Incandescentes – Portaria Interministerial nº 1007/2010
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de Oliveira
Resultados do PROCEL
Resultados - 1986 a 2010
2007 2008 2009 2010 Acumulado
INVESTIMENTOS (R$ MILHÕES) 13,6 5,5 9,0 13,91 383,2 
RGR (R$ MILHÕES) 39,2 25,8 56,0 45,3 768,1 
56
RGR (R$ MILHÕES) 39,2 25,8 56,0 45,3 768,1 
GEF (R$ MILHÕES) - - - - 37,5 
TOTAL (R$ MILHÕES) 52,8 31,3 65,0 68,2 1.188,7 
ENERGIA ECONOMIZADA (MILHÕES DE 
KWH)
3.930 4.374 5.473 6.164 44.122
REDUÇÃO DE DEMANDA NA PONTA (MW) 1.357 1.569 2.098 2.425 13.839
USINA EQUIVALENTE (MW) 942 1.049 1.312 1.478 10.483
TCO2E (MIL) 115 212 135 316 712
INVESTIMENTOS POSTERGADOS (R$ 
MILHÕES)
2.757 2.888 3.918 4.114 30.839
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Leonardo Willer de OliveiraTécnicas de Otimização com 
Aplicação na Área de Energia
57
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Redes Neurais Artificiais
1943 - Warren Mc Culloch (psiquiatra e neuroanatomista) e
Walter Pitts (matemático): primeiro neurônio artificial.
58
Têm como propósito tentar imitar a capacidade do cérebro
humano para reconhecer, generalizar e associar padrões.
Aplicações:
�Reconhecimento de Padrões
�Generalização
�Aproximação de Funções
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Cérebro Computador Convencional
�ms
�Mais lento para operações
seqüenciais
�ns
�Mais rápido (106) para
Redes Neurais Artificiais
seqüenciais
�Processamento paralelo
�Redundância
�10 bilhões de neurônios
�Cada neurônio 1.000 a 10.000
conexões
�100.000 conexões para cada
segundo de experiência (65 anos:
2.000.000.000 de segundos)
processamento seqüencial
59
Aplicações de RNA
�Reconhecimento de Padrões
�Generalização
�Aproximação de Funções
x1
y1
x2
w1
w2
w3
z1
z2
60
�Previsão de Séries Temporais
�Suporte à Decisão
�Extração de Informações 
�Mercados de Energia
�Proteção Adaptativa
x3
y2
z3
y1 = w1.z1 + w2.z2 + w3.z3
Proteção Adaptativa
Shunt Série
f
∆
Abaixador
∆
Y
Y
Y
f
fZ
∆
Abaixador
∆
Y
Y
Y
61
Shunt e Série
Cabo do lado da geração
Shunt e Série
Cabo do lado da carga
f
fZ
∆
Abaixador
∆
Y
Y
Y
f
fZ
∆
Abaixador
∆
Y
Y
Y
Introdução a Engenharia Elétrica - Energia
Leonardo Willer de Oliveira
Elevam a quantidade de energia
comprada pelas concessionárias
Concessionária Perdas (%)
AES SUL 9,60
Perdas no Brasil (2008)
Aplicação de Otimização na 
Distribuição
Redução de Perdas Técnicas
Impacto nas tarifárias (US$/kWh)
Decreto 4.562 (2002), §1º
art. 1º
Questões ambientais
Perdas técnicas
Perdas comerciais
AES SUL 9,60
AMPLA 19,57
CELPE 15,92
CEMIG-D 12,10
COELBA 16,47
ELETROPAULO 12,59
ENERSUL 21,39
LIGHT 20,62
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� Alternativa 1: Reconfiguração
subestação
Aplicação de Otimização na 
Distribuição
1
2
3
4
67
5
ABERTOFECHADO
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� Alternativa 2: Alocação de Bancos de Capacitores
Aplicação de Otimização na 
Distribuição
S
S5 S10
ALIM 1 ALIM 2 ALIM 3
SE SESE
S1
S2
S3
S4
S6
S7
S8 S9
S11
S12
S13
S14
S15
S16
2
3
4
5
6
14
7
9 10
13
11
128
64
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� Alternativa 3: Alocação de Geração Distribuída
Aplicação de Otimização na 
Distribuição
subestação
11
2
3
4
67
5
Impactos na operação e proteção
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Referências
Câmara de Comercialização de Energia Elétrica - CCEE 
www.ccee.org.br
Operador Nacional do Sistema - ONS
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Operador Nacional do Sistema - ONS
www.ons.com.br
Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL
www.aneel.gov.br
Empresa de Pesquisa Energética - EPE
www.epe.gov.br