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Utilização de ferramentas computacionais de simulação no ensino da Engenharia Elétrica Eliennay de Araújo Ferreira Universidade Potiguar Sânderson Luiz Câmara Pereira Universidade Potiguar Professor Dr. Giuliani Paulineli Garbi Universidade Potiguar Resumo - A inserção das ferramentas computacionais no processo de ensino e aprendizagem tem sido cada vez mais vista e discutida nos diversos âmbitos educacionais. Neste sentido, o presente artigo tem como principal objetivo apresentar estudos de casos referente à adequação da ferramenta computacional da CEPEL – ANAREDE, no processo de ensino/aprendizagem no curso de engenharia elétrica, buscando desenvolver um estudo com ênfase na apresentação de modelos matemáticos com auxílio de softwares para análises e simulações do fluxo de potência no sistema elétrico, juntamente com a elaboração de um tutorial base da utilização das ferramentas de análise do programa ANAREDE para realização de para facilitar o ensino e aprendizado na graduação em engenharia elétrica. Palavras-chave - Fluxo de potência, simulações, ferramentas computacionais, engenharia elétrica, software. 1. Introdução Sistemas Elétricos de Potência (SEP) apresentam uma operação complexa, pois para garantir padrões de qualidade, diversas fases de programação e execução de eventos relacionados aos sistemas estão em constante interação (BATISTA, H. S. 2008). A eletricidade se torna cada vez mais um bem essencial às atividades moderna, auxiliando nos avanços das mesmas. Portanto com um consumo cada vez maior de eletricidade se faz necessário que novas formas de ampliar e otimizar a produção de energia sejam implementadas. O SEP pode ser definido como um conjunto de equipamentos com função de converter a energia de alguma fonte natural em eletricidade e transportá-la aos pontos de consumo, objetivando continuidade, níveis de tensão adequados e frequência constante, tendo como vantagem a possibilidade de transporte por longas distâncias com facilidade de convertê-la em outras formas de energia, como calor, luz ou energia mecânica (STEVENSON, 1986), (KUNDUR, 1993). No campo da operação, o fluxo de potência pode ainda determinar as ações de controle sobre os equipamentos interligados ao sistema, como é o caso da alteração no tap dos transformadores, ou também indicar injeções de potência ativa ou reativa nos geradores (RIBEIRO, 2005). Para a solução deste conjunto de equações e inequações, são utilizados métodos computacionais específicos. Dada a sua aplicação frequente, há uma vasta gama de opções de programas de simulação e análise em redes elétricas que são fornecidos comercialmente. Dentre estes, destaca-se o ANAREDE desenvolvido pelo CEPEL que será utilizado neste trabalho para a validação dos resultados obtidos. As soluções dos problemas de fluxo de potência demandam sucessivas repetições e ações de controle precisas. Há vários softwares que realizam estas simulações, como por exemplo o ANAREDE, desenvolvido pelo CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica). Esse programa computacional tem por objetivo calcular um estado de uma rede CA (Corrente Alternada) em regime permanente que otimiza uma função objetivo no caso base e satisfaz uma série de restrições físicas e operacionais, tanto no caso base como para as contingências. As análises de contingências, na maioria dos casos, estão relacionadas a pedidos de intervenções (manutenções) no SIN. Normalmente essas manutenções submetem o sistema a configurações que podem ser prejudiciais a equipamentos, em caso de contingências (CEPEL, 2015). O fluxo de potência é o estudo da operação normal da rede elétrica, sem levar em conta os transitórios ocorridos durante a análise. Por isso, o modelo da rede elétrica é representado como estático, delimitado por uma série de equações e inequações algébricas. Como os modelos de redes analisadas possuem diversos equipamentos, equações não- lineares e métodos iterativos em sua solução, esta análise geralmente é realizada computacionalmente (MONTICELLI, 1983). 2. Revisão Bibliográfica 2.1 Geração A facilidade de transporte da eletricidade e seu baixo índice de perda energética durante conversões incentivam o uso da energia em grande escala no mundo todo, inclusive no Brasil. Fontes renováveis, como a força das águas, dos ventos ou a energia do sol e recursos fósseis, estão entre os combustíveis usados para a geração da energia elétrica. Por meio de turbinas e geradores podemos transformar outras formas de energia, como a mecânica e a química, em eletricidade. (CCEE, 2019) 2.1.1 Hidráulica O fluxo das águas é o combustível da geração de eletricidade a partir da fonte hidráulica. Para aproveitar a queda d’água de um rio, por exemplo, estuda-se o melhor local para a construção de uma usina, levando-se em conta o projeto de engenharia, os impactos ambientais, sociais e econômicos na região, além da viabilidade econômica do empreendimento. (CCEE, 2019) As obras de uma usina hidrelétrica incluem o desvio do curso do rio e a formação do reservatório. A água do rio movimenta as turbinas que estão ligadas a geradores, possibilitando a conversão da energia mecânica em elétrica. A água é o recurso natural mais abundante do planeta. Estima-se que o potencial hidráulico do Brasil seja da ordem de 260 GW – segundo dados do Atlas de Energia Elétrica do Brasil, Aneel, 2008. A primeira hidrelétrica do mundo foi construída no final do século XIX, junto às quedas d’água das Cataratas do Niágara, na América do Norte. No mesmo período, o Brasil construiu sua primeira hidrelétrica, no município de Diamantina (MG), utilizando as águas do Ribeirão do Inferno, afluente do rio Jequitinhonha. Essa hidrelétrica possuía 0,5 megawatt (MW) de potência e linha de transmissão de dois quilômetros de extensão. (CCEE, 2019) Cem anos depois, a potência instalada das usinas aumentou exponencialmente. Concluída em maio de 2006, a Hidroelétrica de Três Gargantas, na China, é hoje a maior hidroelétrica do mundo. Com uma capacidade de geração total de 22.500 MW, ela superou Itaipu Binacional, a maior até então, com capacidade de 14.000 MW. A potência instalada determina se a usina é de grande ou médio porte ou uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH). A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) adota três classificações: - Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGH, com até 1 MW de potência instalada) - Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH, entre 1,1 MW e 30 MW de potência instalada) - Usina Hidrelétrica de Energia (UHE, com mais de 30 MW de potência instalada). O porte da usina também determina as dimensões da rede de transmissão que será necessária para levar a energia até o centro de consumo. No caso das hidrelétricas, quanto maior a usina, mais distante ela tende a estar dos grandes centros. Assim, exige a construção de grandes linhas de transmissão em tensões alta e extra-alta (de 230 kV a 750 kV) que, muitas vezes, atravessam o território de vários Estados. Instaladas junto a pequenas quedas d’água, as PCHs e CGHs, no geral, abastecem pequenos centros consumidores – inclusive unidades industriais e comerciais individuais – e não necessitam de instalações tão extensas para o transporte da energia. (CCEE, 2019) 2.1.2 Gás Natural Na geração termelétrica, a eletricidade é produzida a partir da queima de combustíveis, sendo o gás natural um dos mais utilizados no Brasil. O vapor produzido na queima do gás é utilizado para movimentar as turbinas ligadas a geradores. O gás natural tem elevado poder calorífico e, em sua queima, apresenta baixos índices de emissão de poluentes, em comparação a outros combustíveis fósseis. Em caso de vazamentos, tem rápida dispersão, com baixosíndices de odor e de contaminantes. O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos gasosos, originados da decomposição de matéria orgânica fossilizada ao longo de milhões de anos. O desenvolvimento deste tipo de geração é relativamente recente – tem início na década de 1940. O uso dessa tecnologia foi ampliado somente na última década do século passado. Atualmente, as maiores turbinas a gás chegam a 330 MW de potência e os rendimentos térmicos atingem 42%. Entre as vantagens adicionais da geração termelétrica a gás natural estão o prazo relativamente curto de maturação do empreendimento e a flexibilidade para o atendimento de cargas de ponta. (CCEE, 2019) 2.1.3 Petróleo O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que tem origem na decomposição de matéria orgânica, principalmente o plâncton (plantas e animais microscópicos em suspensão nas águas), causada pela ação de bactérias em meios com baixo teor de oxigênio. Ao longo de milhões de anos, essa decomposição foi se acumulando no fundo dos oceanos, mares e lagos e, pressionada pelos movimentos da crosta terrestre, transformou-se numa substância oleosa. Essa substância é encontrada em bacias sedimentares específicas, formadas por camadas ou lençóis porosos de areia, arenitos ou calcários. Embora conhecido desde os primórdios da civilização humana, somente em meados do século XIX tiveram início a exploração de campos e a perfuração de poços de petróleo. A partir de então, a indústria petrolífera teve grande expansão. Apesar da forte concorrência do carvão e de outros combustíveis considerados nobres à época, o petróleo passou a ser utilizado em larga escala, especialmente após a invenção dos motores a gasolina e a óleo diesel. (CCEE, 2019) Durante muitas décadas, o petróleo foi o grande propulsor da economia mundial, chegando a representar, no início dos anos 70, quase 50% do consumo de energia primária em todo o mundo. Embora declinante ao longo do tempo, sua participação nesse consumo ainda representa cerca de 43%, segundo dados da Agência Internacional de Energia, de 2003. O petróleo é o principal responsável pela geração de energia elétrica em diversos países do mundo. Apesar da expansão recente da hidroeletricidade e da diversificação das fontes de geração de energia elétrica verificadas nas últimas décadas, o petróleo ainda é responsável por cerca de 8% de toda a eletricidade gerada no mundo. A geração de energia elétrica a partir de derivados de petróleo ocorre por meio da queima desses combustíveis em caldeiras, turbinas e motores de combustão interna. A utilização de caldeiras e turbinas é similar aos demais processos térmicos de geração e se aplica ao atendimento de cargas de ponta e/ou aproveitamento de resíduos do refino de petróleo. Os grupos geradores a diesel são comuns no suprimento de comunidades e de sistemas isolados da rede elétrica convencional. (CCEE, 2019) 2.1.4 Carvão O carvão, a exemplo do que ocorre com os demais combustíveis fósseis, é uma complexa e variada mistura de componentes orgânicos sólidos, fossilizados ao longo de milhões de anos. Sua qualidade, determinada pelo conteúdo de carbono, varia de acordo com o tipo e o estágio dos componentes orgânicos. A turfa, de baixo conteúdo carbonífero, constitui um dos primeiros estágios do carvão, com teor de carbono na ordem de 45%; o linhito apresenta um índice que varia de 60% a 75%; o carvão betuminoso (hulha), mais utilizado como combustível, contém cerca de 75% a 85% de carbono, e o mais puro dos carvões; o antracito, apresenta um conteúdo carbonífero superior a 90%. (CCEE, 2019) Da mesma forma, os depósitos variam de camadas relativamente simples e próximas da superfície do solo e, portanto, de fácil extração e baixo custo, a complexas e profundas camadas, de difícil extração e custos elevados. Em participação na matriz energética mundial, o carvão é responsável por cerca de 8% de todo o consumo mundial de energia e de 39% de toda a energia elétrica gerada. Para assegurar a preservação do carvão na matriz energética mundial, atendendo às metas ambientais, têm sido pesquisadas e desenvolvidas tecnologias de remoção de impurezas e de combustão eficiente do carvão. O aproveitamento do carvão mineral para a geração de energia elétrica no Brasil teve início nos anos 1950. Naquela época, foram iniciados estudos e, em seguida, a construção das usinas termelétricas de Charqueadas (RS), com 72 MW de potência instalada, Capivari (SC), com 100 MW, e Figueira (PR), com 20 MW. (CCEE, 2019) 2.1.5 Nuclear A energia nuclear ou núcleoelétrica é proveniente da fissão do urânio em reator nuclear. Apesar da complexidade de uma usina nuclear, seu princípio de funcionamento é similar ao de uma termelétrica convencional, na qual o calor gerado pela queima de um combustível produz vapor, que aciona uma turbina, acoplada a um gerador de corrente elétrica. Na usina nuclear, o calor é produzido pela fissão do urânio no reator, cujo sistema mais empregado é constituído por três circuitos – primário, secundário e de refrigeração. No primeiro, a água é aquecida a uma temperatura de aproximadamente 320°C, sob uma pressão de 157 atmosferas. Em seguida, essa água passa por tubulações e vai até o gerador de vapor, onde vaporiza a água do circuito secundário, sem que haja contato físico entre os dois circuitos. O vapor gerado aciona uma turbina, que movimenta o gerador e produz corrente elétrica. (CCEE, 2019) No final dos anos 1960, o governo brasileiro decidiu ingressar na geração termonuclear, visando conhecer melhor a tecnologia e adquirir experiências para o futuro. Na época, cogitava-se a necessidade de complementação térmica para o suprimento de eletricidade no Rio de Janeiro. Decidiu-se, então, que essa complementação ocorresse por meio da construção de uma usina nuclear (Angra I) em Angra dos Reis (RJ). A construção de Angra I (657 MW) teve início em 1972. A primeira reação nuclear em cadeia ocorreu em março de 1982 e a usina entrou em operação comercial em janeiro de 1985. Mas, logo após, interrompeu suas atividades, voltando a funcionar somente em abril de 1987, operando, porém, de modo intermitente, até dezembro de 1990 (nesse período, operou com 600 MW médios durante apenas 14 dias). Entre 1991 e 1994, as interrupções foram menos frequentes, mas somente a partir de 1995 a usina passou a ter operação regular. A construção de Angra II (1.350 MW) teve início em 1976 e a previsão inicial para a usina entrar em operação era 1983. Em razão, porém, da falta de recursos, a construção ficou paralisada durante vários anos e a operação do reator ocorreu somente em julho de 2000, com carga de 200 MW a 300 MW. Entre 20 de agosto e 3 de setembro daquele ano, a usina funcionou regularmente, com 915 MW médios. A partir de então, operou de modo intermitente até 9 de novembro, quando passou a funcionar com potência de 1.350 MW médios. (CCEE, 2019) 2.1.6 Biomassa Biomassa é a massa total de organismos vivos numa área. Esta massa constitui uma importante reserva de energia, pois é formada essencialmente por hidratos de carbono. Do ponto de vista energético, para fins de outorga de empreendimentos do setor elétrico, biomassa é todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na produção de energia. Uma das principais vantagens da biomassa é que, embora de eficiência inferior à de outras fontes, seu aproveitamento pode ser feito diretamente, por meio da combustão em fornos e caldeiras, por exemplo. Para aumentar a eficiência do processo e reduzir impactos socioambientais, tem-se desenvolvido tecnologias de conversão mais eficientes, como a gaseificação e a pirólise– decomposição térmica de materiais contendo carbono, na ausência de oxigênio. Também é comum a co-geração em sistemas que utilizam a biomassa como fonte energética. (CCEE, 2019) No Brasil, a imensidão das regiões tropicais e chuvosas oferece excelentes condições para a produção e o uso energético da biomassa em larga escala, com grande potencial no setor de geração de energia elétrica. No restante do país, a produção de madeira, em forma de lenha, carvão vegetal ou toras, também gera grande quantidade de resíduos que podem igualmente ser aproveitados na geração de energia elétrica. No entanto, o recurso de maior potencial para geração de energia elétrico no país é o bagaço da cana-de-açúcar. O setor sucroalcooleiro gera grande quantidade de resíduos, que pode ser aproveitada na geração de eletricidade, principalmente em sistemas de co-geração. Ao contrário da produção de madeira, o cultivo e o beneficiamento da cana são realizados em grandes e contínuas extensões, e o aproveitamento de resíduos (bagaço, palha, vinhoto etc.) é facilitado pela centralização dos processos de produção. Em média, cada tonelada de cana processada requer cerca de 12 kWh de energia elétrica, o que pode ser gerado pelos próprios resíduos da cana. Os custos de geração já são competitivos com os do sistema convencional de suprimento, o que possibilita a autossuficiência do setor em termos de suprimento energético, por meio da co-geração. (CCEE, 2019) 2.1.7 Eólica Energia eólica é a energia cinética contida nas massas de ar em movimento (vento). Seu aproveitamento ocorre por meio da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas eólicas – também denominadas aerogeradores – para a geração de eletricidade, ou de cata-ventos (e moinhos), para trabalhos mecânicos como bombeamento d’água. A energia eólica é utilizada há milhares de anos no bombeamento d'água, moagem de grãos e outras aplicações que envolvem energia mecânica. A geração eólica ocorre pelo contato do vento com as pás do cata-vento. Ao girar, essas pás dão origem à energia mecânica que aciona o rotor do aerogerador, que produz a eletricidade. A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi implantada na Dinamarca, em 1976. Hoje, existem mais de 30 mil turbinas eólicas em operação em todo o mundo. (CCEE, 2019) O desenvolvimento tecnológico recente – principalmente no que tange à melhoria dos sistemas de transmissão, da aerodinâmica e das estratégias de controle e operação das turbinas – têm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos. O Brasil é favorecido em termos de ventos, que se caracterizam por uma presença duas vezes superior à média mundial e por uma volatilidade de apenas 5%, o que dá maior previsibilidade ao volume a ser produzido. Além disso, como a velocidade costuma ser maior em períodos de estiagem, é possível operar usinas eólicas em sistema complementar com usinas hidrelétricas, de forma a preservar a água dos reservatórios em períodos de poucas chuvas. As estimativas constantes do Atlas do Potencial Eólico Brasileiro de 2010, elaborado pela Eletrobras, apontam para um potencial de geração de energia eólica de 143,5 mil MW no Brasil, volume superior à potência instalada total no país nesse mesmo ano. As regiões com maior potencial medido são Nordeste, Sudeste e Sul. (CCEE, 2019) 2.1.8 Solar A energia solar é aquela energia obtida pela luz do Sol que pode ser captada com painéis solares. É uma fonte de vida e de origem da maioria das outras formas de energia na Terra. A energia solar chega ao planeta nas formas térmica e luminosa. Sua irradiação na superfície da Terra é suficiente para atender milhares de vezes o consumo mundial de energia. Essa radiação, porém, não atinge de maneira uniforme toda a crosta terrestre. Depende da latitude, da estação do ano e de condições atmosféricas como nebulosidade e umidade relativa do ar. (CCEE, 2019) A produção de eletricidade a partir da energia solar vem crescendo nos últimos anos, e tem ganhado projeção com o desenvolvimento da micro e da minigeração. Tradicionalmente, o mais generalizado é o uso da energia solar para a obtenção de energia térmica. Esta aplicação destina-se a atender setores diversos, que vão da indústria, em processos que requerem temperaturas elevadas (por exemplo, secagem de grãos na agricultura) ao residencial, para aquecimento de água. Outra tendência é a utilização da energia solar para a obtenção conjunta de calor e eletricidade. O Brasil é privilegiado em termos de radiação solar. O Nordeste brasileiro apresenta radiação comparável às melhores regiões do mundo nessa variável. O que, porém, não ocorre em localidades mais distantes da linha do Equador, como as regiões Sul e Sudeste. (CCEE, 2019) 2.2 GERADOR SINCRONO O gerador síncrono é um equipamento que funciona por meio de corrente alternada, e sua velocidade de rotação está em sincronia com a frequência da alimentação do motor. Assim como as máquinas de corrente contínua e as máquinas de indução (assíncronas), as máquinas síncronas podem ser utilizadas tanto como motores como geradores. Devido a razões construtivas e ao seu custo maior em relação às máquinas de indução, elas são, entretanto, mais utilizadas como geradores. Como motores elas são em geral utilizadas em altas potências (acima de 600 CV), onde apresentam vantagens importantes em relação aos motores de indução. Por outro lado, máquinas síncronas a imãs permanentes vêm tendo uma utilização cada vez maior em baixas e médias potências especialmente quando se necessita de velocidade variável, alto rendimento e respostas dinâmicas rápidas. Tanto as máquinas síncronas tradicionais de rotor bobinado como as máquinas síncronas a imãs permanentes necessita m em geral um conversor para o seu acionamento e controle, caso seja necessário que elas operem como motor com velocidade variável. (FABIANA, OLIVEIRA L.V. 2016) Uma utilização típica da máquina síncrona funcionando como gerador é em centrais elétricas, independente do seu tipo (hídrica, a carvão, a diesel, etc.). Praticamente toda a energia elétrica disponível é produzida por geradores síncronos e m centrais elétricas; Eles convertem assim, energia mecânica em elétrica. Geradores síncronos também são utilizados para geração de energia elétrica em centrais de pequeno porte e em grupos geradores de emergência, os quais são instalados em indústrias, hospitais, aeroportos, embarcações e etc. neste caso o gerador não está ligado a um grande sistema de energia, mas funcionando de forma isolada. (FABIANA, OLIVEIRA L.V. 2016) 2.2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR SINCRONO A máquina síncrona é composta do estator, que aloja um enrolamento monofásico ou trifásico e onde será induzida tensão pelo movimento do rotor. No enrolamento do estator será induzida uma tensão alternada, a qual produz irá uma corrente igualmente alternada quando o mesmo se encontrar sob carga. O rotor contém um enrolamento que é alimentado com corrente contínua e que serve para criar campo magnético principal na máquina. O princípio de funcionamento de um gerador é muito semelhante ao de um a máquina de corrente contínua (figura 1). Figura 1 - Representação esquemática da máquina síncrona. Sempre que houver um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético haverá uma tensão induzida no condutor. No caso da máquina síncrona os condutores são fixos na armadura e o campo magnético é forçado pela máquina primária a se mover. Por sua vez, a máquina primária é acoplada mecanicamente ao rotor onde estão alojados os polos e exerce sobre elesuma força fazendo-os girar. O movimento relativo entre o campo e o condutor faz com que surja uma tensão nos terminais do gerador. Ao ser ligado a uma carga a tensão induz ida faz com que circule corrente pelo gerador e pela carga. A potência mecânica transferida pela máquina primária é assim convertida em energia elétrica (descontadas as perdas). O enrolamento de campo (alojado nos polos) é alimentado por uma fonte de corrente contínua por meio de anéis deslizantes. Existem sistemas em que não existem anéis e escovas, sendo que a tensão contínua necessária ao enrolamento de campo é fornecida por meio de um sistema de excitação estático (brushless), formado por uma ou mais excitatrizes montadas no eixo e por dispositivos a base de semicondutores. O gerador síncrono produz uma tensão do tipo alternada senoidal, podendo ser monofásica ou trifásica. Num a máquina existem não apenas um condutor sendo movimentado no campo magnético, mas uma série de condutores ligados em série, fazendo com que a potência convertida seja maior que no caso de apenas um condutor. Com este arranjo a potência da máquina é maior, aumentando o grau de aproveitamento dos materiais. (FABIANA, OLIVEIRA L.V. 2016) 2.3 CLASSIFICAÇÃO DAS SUBESTAÇÕES Depois da geração da energia elétrica, antes de ser transmitida, esses níveis de tensão são elevados para que se possa diminuir a corrente elétrica, essa elevação ou diminuição é feito pelos transformadores de força nas subestações, e assim podemos classificar as subestações pelo seu nível de tensão que serão mostradas abaixo. 2.3.1 BAIXA TENSÃO Classificação utilizada para subestações de níveis de tensão de até 1 kV (figura 2) Figura 2 – Subestação de Baixa Tensão 2.3.2 MÉDIA TENSÃO Classificação utilizada para subestações com níveis de tensão entre 1 kV e 34,5 kV (tensões típicas: 6,6 kV; 13,8 kV; 23 kV e 34,5 kV). Como exemplificado na figura 3, onde se tem uma subestação de 13,8 kV. Figura 3 - Subestação de Média Tensão (13,8KV) 2.3.3 ALTA TENSÃO Utilizado para níveis entre 34, 5 kV e 230 k V (tensões típicas: 69 k V; 138 kV; 230 kV). Como exemplificado na figura 4, onde se tem uma subestação de 138 kV. Figura 4– Subestação de Alta tensão 2.3.4 EXTRA- ALTA TENSÃO Utilizada para níveis maiores que 230 kV (tensões típicas: 345 k V; 440 kV; 500 kV; 750 kV). Na figura 5, é possível ver a foto da subestação de Irapé (345 kV) em Minas Gerais. Figura 5 – Subestação de Extra - Alta Tensão (345KV) de Irapé-MG 2.3.5 QUANTO À RELAÇÃO ENTRE OS NÍVEIS DE TENSÃO DE ENTRADA E SAÍDA Podem ser classificadas em: de manobra, elevadora ou abaixadora. 2.3.6 SUBESTAÇÃO DE MANOBRA É aquela que interliga circuitos de suprimento sob o mesmo nível de tensão, possibilitando sua multiplicação. É também adotada para possibilitar o secionamento de circuitos, permitindo sua energização em trechos sucessivos de menores comprimentos. Na figura 6 pode-se ver uma foto de uma subestação de manobra. (MUZY G. L. C. 2012) Figura 6 – Subestação de Manobra Isolada a SF6 2.3.7 SUBESTAÇÃO ELEVADORA É localizada na saída das usinas geradoras. E levam as tensões para níveis de transmissão e subtransmissão, visando diminuir a corrente e, consequentemente, a espessura dos condutores e as perdas. Esta elevação de nível tensão é comumente utilizada para facilitar o transporte da energia, diminuição das perdas do sistema e melhorias no processo de isolamento dos condutores. Na figura 7, pode-se observar uma foto de uma subestação elevadora. (MUZY G. L. C. 2012) Figura 7 – Subestação Elevadora 2.3.8 ABAIXADORA Localizada nas periferias dos centros consumidores. Diminuem os níveis de tensão, para que essa aproxima dos centros urbanos a para evitar inconvenientes para a população (rádio interferência, campos magnéticos intensos e faixas de servidão muito grandes). Na figura 8 é possível ver a ilustração dessa subestação próxima de uma vista urbana. (MUZY G. L. C. 2012) Figura 8 – Subestação Abaixadora 2.4 LINHAS DE TRANSMISSÃO A representação de uma linha de transmissão é vital para estudos de sistemas de potência. Principalmente, para estudos de fluxo de potência. Com isto, as linhas são frequentemente representadas por circuitos equivalente contendo resistência e indutância associadas em série, bem como capacitância em derivação (FUCHS, 1973), (STEVENSON, 1986). Esses circuitos, dito unifilar, representa os efeitos de todos os condutores das fases, bem como dos cabos para-raios da linha. Usualmente, há um circuito de sequência positiva, que é usado para estudos de fluxo de potência (STEVENSON, 1986), (WEEDY, 1973). Esses parâmetros são obtidos por redução matricial de todos os condutores da linha a um sistema a três fios e, em seguida, aplicação da transformação para obtenção da matriz de sequências (WEEDY, 1973), (KIMBARK, 1949). As linhas de transmissão (LTs) CA podem ser curtas, médias ou longas, se tiverem comprimentos até 80 km, entre 80 km e 240 km e maiores que 240 km, respectivamente. As linhas curtas são modeladas através dos parâmetros série: resistência e indutância, e são representadas de acordo com a figura 9 (BORGES, 2005) Figura 9 – Circuito equivalente - linhas curtas Na representação das linhas médias é necessária a inserção da capacitância shunt (em paralelo) nas extremidades, conforme mostra a figura 10. Este modelo é denominado π (pi) nominal. Figura 10 – Circuito equivalente – linhas médias No modelo π (pi) equivalente, representação mais complexa idealizada para LTs com extensões maiores que 240 km, os parâmetros distribuídos são modelados por equações diferenciais. A figura 11 ilustra o circuito equivalente deste caso. Figura 11 – Circuito equivalente – linhas longas Em LTs com comprimentos acima de 400 km é essencial inserir equipamentos de compensação, tais como reatores em paralelo e capacitores em série, a fim de elevar a capacidade da LT e evitar fenômenos indesejáveis, como o Efeito Ferranti, que faz com que a tensão ao longo da linha de transmissão aumente na ausência de compensação reativa (MENEZES, 2015). 3. SOFTWARE O programa ANAREDE possui a opção de inserção de componentes de forma gráfica, na qual por meio de menus permite-se adicionar elementos pré-configurados, necessitando somente adicionar valores dos parâmetros do sistema. É possível também adicionar componentes por meio de linhas de comando. O programa possui seis métodos de resolução de fluxo de potência, entre eles destacam-se o método de Newton-Raphson, desacoplado rápido e linearizado (SILVA, 2016). 31. Interface Gráfica A interface gráfica do ANAREDE é de simples compreensão e as opções básicas são apresentadas na barra de atalhos, ilustrada pela figura 12. Figura 12 - Interface gráfica do programa ANAREDE. Editado de: ANAREDE. A barra de atalhos, destacada em vermelho na figura 13, possui ícones para adição e edição dos elementos que compõe o SEP, opções de análise, opção de arquivos, entre outras. Os principais atalhos apresentadores são: Figura 13 – Barra de atalhos 3.2 Inserção De Componentes Ao clicar na opção , uma segunda barra de atalhos será apresentada ao usuário, ilustrada pela figura 14, o qual tem como objetivo adicionar os elementos descritos pelo quadro 1. Figura 14 - Barra de atalhos da opção "Inserir e desenhar um componente" Editado de: ANAREDE. Quadro 1 - Componentes que podem ser inseridos através da opção "Inserir ou desenhar componentes". Editado de: ANAREDE. Ao selecionar uma opção de elemento, deve-se escolher o local que se deseja adiciona-lo. O procedimento para a inserção é realizadoatravés de um duplo click com o botão esquerdo do mouse, abrindo assim uma nova janela para inserção de dados. Os tópicos a seguir serão dedicados a explicar os parâmetros necessários para a inserção dos principais elementos de um SEP. 3.3 Barra CA O ícone Barra CA é um elemento de geração ou carga e, como mostrado na figura 15, para sua inserção deve- se preencher 18 parâmetros. Figura 15 - Parâmetros para adicionar uma Barra CA. Editado de: ANAREDE. Sendo eles: 1) Número: Número da barra a ser adicionada; 2) Nome: Nome da barra a ser adicionada. Em um caso real poderia ser uma cidade, uma subestação, entre outro; 3) Tensão: Valor de tensão em p.u. Caso não seja uma barra referência, usualmente coloca-se 1 p.u.; 4) Ângulo: Valor de ângulo em graus; 5) Tipo: Deve-se selecionar o tipo da barra: referência, Vθ (Barra de folga), PQ (barra de carga) ou PV (barra de geração); 6) VDef: Valor de tensão de definição da carga funcional, utilizado em casos onde a carga é função da tensão. 7) Grupo limite de tensão: Define os valores de máxima e mínima tensão (em p.u.). O ANAREDE tem por padrão a tensão mínima de 0,8 p.u. e máxima de 1,2 p.u. Porém é possível definir intervalos diferentes ao acessar o menu Dados / Grupos / Grupos de limite de tensão; 8) Grupo base de tensão: Define os valores de tensão base (Vb) na barra. Pode-se editar os valores de base de tensão acessando o menu Dados / Grupos / Grupos bases de tensão; 9) Área: Seleção da área na qual a barra está inserida. Útil para SEP de grande porte; 10) Barra controlada: Destinada as barras do tipo PV e referência, as quais podem ter os níveis de tensão controlada pela injeção de reativos; 11) Modo de visualização: Utilizado para a visualização da barra sendo o modo normal ou midpoint (representado por um ponto). Este item possibilita também a opção de ligar ou desligar a barra ao clicar no marcador “Ligado”; 12) Carga ativa: Carga ativa conectada a barra, em MW; 13) Carga reativa: Carga reativa conectada a barra, em MVAr; 14) Geração ativa: Potência ativa injetada na barra, em MW; 15) Geração reativa: Potência reativa injetada na barra, em MVAr; 16) Geração reativa mínima: Valor mínimo de geração reativa, em MVAr; 17) Geração reativa máxima: Valor máximo de geração reativa, em MVAr; 18) Shunt equivalente: Valor de impedância equivalente conectado a barra, em MVAr; Porém, alguns são de preenchimento obrigatórios, como o caso dos parâmetros 1, 2, 3 4, 5, 9, 12, 13, 14, 15. 3.4 Linha De Transmissão CA Para inserir uma LT CA no sistema deve-se ter, no mínimo, duas barras no sistema. Tendo o pré-requisito, deve- se clicar na barra inicial e clicar novamente na barra final. Feito isto, ao usuário será apresentada a tela ilustrada pela figura 16, onde deve-se preencher os itens listados abaixo. Figura 16 - Parâmetros para inserir uma Linha CA. Editado de: ANAREDE. 1) Barra de: Barra inicial da LT, este preenchimento é feito de modo automático e será preenchida com a barra de menor número entre as barras; 2) Barra para: Barra final da LT, de mesmo modo o preenchimento é automático e será preenchida com a barra de maior número entre as barras; 3) Número: Número do circuito entre as barras, devendo ser preenchido com um valor entre 1 e 99, sendo atrelado ao par de barras. Por exemplo, os números dos circuitos que interligam a barra 1 à barra 2 podem coincidir com os números dos circuitos que interligam a barra 1 a barra 3; 4) Capacidade normal: Capacidade de fluxo de potência quando o SEP está operando normalmente; 5) Capacidade de emergência: Capacidade de condução de fluxo de potência quando o SEP está operando em estado de emergência; 6) Capacidade do equipamento: Capacidade de condução de fluxo de potência do equipamento; 7) Resistência: Valor de resistência da LT, em porcentagem; 8) Reatância: Valor de reatância da LT, em porcentagem; 9) Susceptância: Valor de impedância shunt ligada a LT, em MVAr; 10) TAP especificado: Para transformadores com TAP variável, tal campo é associado as variações de tensão da “Barra de:”, em p.u.; 11) TAP mínimo: Para transformadores com TAP variável sob carga, deve-se colocar o valor mínimo do TAP, em p.u.; 12) TAP máximo: Para transformadores com TAP variável sob carga, deve-se colocar o valor máximo do TAP, em p.u.; 13) Defasamento: Defasamento angular que o transformador aplica ao sistema, em graus; 14) Steps: Intervalos igualmente espaçados entre o valor de TAP mínimo e TAP máximo; 15) Barra proprietária: Utilizada para SEP de grande porte, a qual seja necessária a divisão entre áreas, este campo determina a quais das áreas pertence a LT; 16) Barra controlada: Considerando o caso em que uma LT possua um transformador com variação automática do TAP sob carga, neste campo determina-se a barra a qual a tensão será controlada; 17) Controle Congelado: Congela a variação automática do TAP do transformador com variação automática sob carga. Porém, alguns parâmetros são de preenchimento obrigatórios, como o caso dos parâmetros 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. 3.5 Carga Para adicionar o elemento de carga, os campos são iguais aos apresentados no elemento barra CA. No entanto, como pode ser observado na figura 17, os únicos parâmetros ativos para edição são os dados de 1 e 2 respectivos da carga. Figura 17 - Parâmetros para inserir Carga. Editado de: ANAREDE. Quando utilizada a opção , uma nova janela, ilustrada pela figura 18, com diferentes parâmetros é apresentada ao usuário. Porém, tais parâmetros envolvem uma análise de estabilidade, curvas PV e P , entre outros parâmetros, tal que não são os propósitos deste tutorial. Figura 18 - Edição dos parâmetros de carga. Editado de: ANAREDE. 3.6 Gerador Assim como na carga, a inserção do elemento de geração segue os mesmos dados inseridos no elemento barra CA. Conforme pode-se observar na figura 19, os únicos parâmetros ativos para edição são os dados de 1 a 4 respectivos da geração. Figura 19 - Parâmetros para inserir Gerador. Editado de: ANAREDE. Caso os valores de geração já tenham sido adicionados no momento de adicionar a Barra CA, os valores serão sincronizados e qualquer alteração será aplicada em ambos, assim como pode ser visto na figura 20. Tais valores estão atrelados aos valores da carga das barras. Figura 20 - Sincronia dos dados da Barra e do Gerador. Editado de: ANAREDE. Ao utilizar a opção , uma nova janela é apresentada ao usuário com parâmetros diferentes, conforme ilustrado pela figura21. Tais valores envolvem parâmetros de fabricação, ensaios, fatores de participação, entre outras análises que não são objetivos deste tutorial. Figura 21 - Edição de parâmetros de Gerador. Editado de: ANAREDE. 3.7 Shunt De Barra Assim como os elementos carga e gerador, a adição do elemento shunt de barra não difere do elemento interno da barra, assim como demonstra a figura 22. Diferente dos elementos carga e gerador, ao utilizarmos a opção no elemento, ao usuário é apresentada a mesma interface, sendo assim não há parâmetros adicionais no elemento. Figura 22 - Parâmetros para inserir um Shunt de Barra. Editado de: ANAREDE. 3.8 Shunt De Linha O shunt de linha é uma opção para adicionar impedâncias shunt nas linhas de transmissão CA. Uma das peculiaridades desta adição é a possibilidade de adicionar a impedância mais próximo a uma das barras, assim como mostra a figura 23. Tal elemento tem como função consumir ou injetar reativo no sistema, estando atrelada a amplitude de tensão na barra que ela está próxima. Figura 23 - Parâmetros para inserir um Shunt de Linha. Editado de: ANAREDE. 1) Shunt de: Valor de impedância shunt da “barra de”, em MVAr.; 2) Shunt para: Valor de impedância shunt da “barra para”, em MVAr.Outra particularidade deste tipo de adição é a possibilidade de escolher a característica da impedância shunt, mostrada na figura 24, sendo elas: • Impedância shunt capacitiva: Para valores maiores que zero; • Impedância shunt indutiva: Para valores menores que zero. Figura 24 - Peculiaridade da adição do elemento Shunt de Linha. Editado de: ANAREDE. Quando se utiliza a opção não há alteração nos parâmetros da impedância shunt de linha. 4. ESTUDO DE CASO 1 Para o estudo de caso 1, mostrado na Figura 25, tem-se os dados apresentados no quadro 2. Quadro 1 - Dados do Estudo de Caso 1 Figura 25 - SEP para estudo de caso 1 No ANAREDE, o primeiro passo é adicionar as barras do SEP, sendo iniciado pela barra 1. A seguir será descrito os procedimentos para a inserção dos elementos. Passo 1 - Selecionar a opção: - Inserir desenhar elemento - Barra CA Posicionar a barra e através de um clique duplo será inserido o elemento e a janela de parâmetros abrirá. Os parâmetros a serem preenchidos são os apresentados no Quadro 2, assim como mostra a Figura 26. Figura 26 – parâmetros da barra 1 Para inserir as demais barras, repete-se o procedimento para as barras 2 e 3, sendo estes ilustrado pelas figuras Figura 27 e Figura 28. Ao final da inserção das linhas de transmissão, o sistema resultante deve- se assemelhar ao ilustrado pela Figura 29. Figura 27 – Parâmetros da barra 2. Figura 28 – Parâmetros da barra 3. Após as três barras serem adicionadas, deve-se possuir um SEP similar ao apresentado na Figura 29 . Figura 29 – SEP com as barras adicionadas. De modo a padronizar a configuração, pode-se girar a barra 3. Passo 2 - Selecionar: - Girar Elemento - Clique no elemento a ser girado Como resultado a barra 3 será rotacionada resultando na Figura 30. Figura 30 – SEP com as barras adicionadas e organizadas. Com as barras adicionadas, deve-se inserir as linhas de transmissão CA. Passo 3 - Selecionar: - Inserir desenhar elemento - Linha CA Para inserir a Linha CA deve-se, clicar na barra de origem e depois clique na de destino. No exemplo será adicionado a LT 1-2, o resultado será semelhante ao apresentado pela Figura 31. Figura 31 – Linha inserida entre barramentos. Figura 32 – Parâmetros da LT 1-2 Ao final da inserção das linhas de transmissão, o sistema resultante deve-se assemelhar ao ilustrado pela Figura 33. Figura 33 – SEP do Estudo de caso 1 com todos os elementos adicionados Passo 4 - Selecionar qual o método de análise: deve-se na barra de ferramentas selecionar: - Análise - Fluxo de potência Ao usuário será apresentada a janela ilustrada pela letra A da Figura 34. Pode-se observar que os métodos de análise não estão habilitados. De modo a possibilitar e escolha deve-se clicar em “Opção Padrão”, ao usuário será liberado a alternância dos métodos de análise. O método Newton- Raphson é chamado de método Newton. Passo 5 - Deve-se executar a análise do fluxo de potência, selecionar: - Executar Fluxo de Potência Como resposta a execução do fluxo de potência, ao usuário será apresentado um arquivo que mostrará se o fluxo de potência convergiu, ilustrado pela letra A da Figura 34. O estado da rede, e os resultados de fluxo de potência são exibidos na interface do sistema, apresentado na letra B da Figura 35 Figura 34 – Relatório com resultado do cálculo de fluxo de potência Figura 35 – Resultado do cálculo de fluxo de potência O ANAREDE possui duas análises de contingência: a automática, que remove um elemento por vez do intervalo selecionado, e a programada, a qual prioriza elementos listados pelo operador. Neste caso estuda-se a análise de contingência automática. Para realizar a análise de contingência automática do tipo N- 1, deve-se: Passo 6 - Selecionar: - Análise - Análise de contingência -Automática. Ao usuário será apresentada a janela ilustrada pela Figura 36. Figura 36 – Adição de parâmetros para análise de contingência automática. Como este estudo de caso possui poucas LTs, será utilizado a contingência do Tipo Área e, como o número padrão da área adotado neste exemplo foi o 1, selecione o Número “1”. Ao clicar em “Inserir” e em seguir em “Aceitar”, abrirá ao usuário um relatório de análise de contingência automática. Sendo este ilustrado pela Figura 37. Figura 37 – Parte do relatório de contingência automática do estudo de caso 1. Outra opção de análise é através da inserção de barras individualmente, ou seja, deve-se selecionar “Tipo: Barra” selecionar a barra as quais serão retiradas a LT e clicar em “Inserir”. O procedimento deve ser repetido para as três barras. Na sequência em seleciona-se “Aceitar”, ao usuário será apresentado o relatório de análise de contingência automática. A diferença entre ambos é a possibilidade de analisar a contingência dos equipamento conectados à algumas barras, ao invés do SEP inteiro. 6. REFERÊNCIAS Determinar o fluxo de potência em um SEP de elevada dimensão por meio do desenvolvimento analítico é uma tarefa não trivial, mesmo com auxílio de programas matemáticos. Por meio da utilização do programa ANAREDE, há a possibilidade de alteração de dados de entrada do sistema e com isso analisar os dados de saída fornecidos pelo programa de maneira rápida e segura. Outro ponto positivo é a possibilidade de visualizar as alterações feitas, as violações do sistema, os fluxos de potência nas LTs, módulos de tensão e ângulos através da interface gráfica do programa, o que auxilia a visualizar as características do estado da rede e seus fluxos de carga. Um dos fatores que torna importante o desenvolvimento deste tutorial é a dificuldade encontrada ao inserir componentes no sistema já que, mesmo sendo desenvolvido no Brasil, o método de separação de decimais utilizado é o ponto, a falta de padrão nas unidades do sistema (trabalha com p.u. e percentual mas também utiliza MVA, MW, entre outros) o programa possui algumas dificuldades na interface, como a necessidade de selecionar determinado atalho para mover a tela. A importância dos relatórios de análise de SEP fornecidos pelo ANAREDE (relatório de convergência de fluxo de potência, relatório de contingência automática, entre outros) possibilita ao usuário filtrar os resultados obtidos para que a análise seja baseada em problemas ou violações. Os relatórios apresentados pelo ANAREDE são úteis, sobretudo, na análise de SEPs com grande quantidade de barras, como o caso do SIN brasileiro, de modo que as análises podem ser realizadas de forma rápida e eficiente, contribuindo para possíveis ações de controle do SEP. 6. REFERÊNCIAS BATISTA, H. S. (2008). Análise de Contingências em Sistemas Elétricos de Potência. Monografia de Graduação, Publicação ENE 01/2008, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 48p. AMORIM, Elizete A. Fluxo de potência ótimo em sistemas multimercados através de um algoritmo evolutivo multi- objetivo. 2006. 182 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, 2006. CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA. FLUPOT – Fluxo de Potência Ótimo. Disponível em: <http://www.flupot.cepel.br/cprog.html> Acesso em: 23 mai 2019 Programa de Fluxo de Potência Ótimo – FLUPOT. Manual do Usuário. Versão 2003. 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