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Uso de técnicas de otimização baseadas em derivadas como suporte do planejamento operacional de redes de distribuição de energia elétrica

By Max Chianca Pimentel Filho

Abstract

Os programas desenvolvidos para o cálculo de fluxo de carga sempre foram amplamente utilizados objetivando simular sistemas de transmissão, subtransmissão e distribuição de energia elétrica. Entretanto, os métodos matemáticos aplicados para esse cálculo estruturavam-se, em sua maioria, tomando como base apenas as características dos sistemas de transmissão, os quais eram o principal foco de preocupação dos engenheiros e pesquisadores. Todavia, as características físicas desses sistemas são bastante diferentes da realidade dos de distribuição. Nos sistemas de transmissão, os níveis de tensão são altos e as linhas são geralmente muito longas. Esses fatores contribuem para que os efeitos capacitivos e indutivos que aparecem nos sistemas passem a ter uma influência considerável nos valores das grandezas de interesse, razão por que devem ser considerados. Ainda nos sistemas de transmissão, as cargas são de natureza macro, a exemplo de cidades, bairros, ou grandes indústrias ou consumidores. Tais cargas são, em geral, praticamente equilibradas, o que reduz a necessidade de utilização de metodologias trifásicas para o cálculo do fluxo. Os sistemas de distribuição, por sua vez, pressupõem outras implicações, apesar de os níveis de tensão serem pequenos em comparação aos de transmissão, o que praticamente anula o efeito capacitivo das linhas. Como as cargas passam a ser, neste caso, transformadores, em cujos secundários estão conectados pequenos consumidores, muitas vezes, monofásicos, a possibilidade de se encontrar um circuito desbalanceado é grande. Portanto, face a tal possibilidade, a utilização de metodologias trifásicas assume uma dimensão importante. Além disso, equipamentos como reguladores de tensão, para cujo funcionamento utilizam simultaneamente o conceito de tensão de fase e de linha, necessitam de uma metodologia trifásica, para que seu modelo permita simulação em tempo real. Pelas razões expostas, o trabalho apresenta um método de cálculo de fluxo de carga trifásico para sistemas de distribuição de energia. No intuito de realizar tal tarefa, foi utilizado como base o método Soma de Potências, já bastante testado e aprovado na simulação de sistemas radiais de distribuição de energia elétrica. As linhas são a três fios, considerando-se o acoplamento magnético entre as fases; já o efeito da terra foi considerado através da correção de Carson. É interessante ressaltar que, apesar de as cargas estarem normalmente conectadas nos secundários dos transformadores, foi considerada, além dessa possibilidade, a hipótese da existência de cargas em estrela ou delta no circuito primário. Já para a simulação de reguladores de tensão, foi utilizado um novo modelo que permite a simulação dos vários tipos de configurações, de acordo com o seu funcionamento real. Por fim, também foi considerada a possibilidade da representação com chaves de medição de corrente em diversos pontos do alimentador. As cargas são ajustadas, durante o processo iterativo, de maneira que a corrente em cada chave convirja para o valor especificado nos dados de entrada. Em uma segunda etapa, tomando como base o fluxo de carga descrito, o trabalho apresenta um método de cálculo para os parâmetros de sensibilidade, com o objetivo de serem aplicados em processos de otimização. Esses parâmetros são encontrados através do cálculo da derivada parcial de uma variável com relação a uma outra, determinando a taxa de variação entre elas. Após a descrição de cálculo dos parâmetros de sensibilidade, apresenta-se o método do gradiente, que usa esses parâmetros para determinar o ponto ótimo de uma função objetivo, que será definida para cada tipo de estudo. Neste trabalho são abordados dois tipos de problema. O primeiro refere-se à redução das perdas técnicas em um alimentador de média tensão, através da instalação de bancos de capacitores; o segundo trata do problema da correção do perfil de tensão, através da instalação de bancos de capacitores ou de reguladores de tensão. No caso da redução das perdas será considerada, como função objetivo, a soma das perdas em todos os trechos do sistema. Já para a correção do perfil de tensão, a função objetivo será a soma do quadrado dos desvios de tensão em cada nó, com relação à tensão requerida. No final do trabalho, os métodos descritos foram aplicados em alguns alimentadores com a finalidade de testar o seu desempenho e precisãoThe usual programs for load flow calculation were in general developped aiming the simulation of electric energy transmission, subtransmission and distribution systems. However, the mathematical methods and algorithms used by the formulations were based, in majority, just on the characteristics of the transmittion systems, which were the main concern focus of engineers and researchers. Though, the physical characteristics of these systems are quite different from the distribution ones. In the transmission systems, the voltage levels are high and the lines are generally very long. These aspects contribute the capacitive and inductive effects that appear in the system to have a considerable influence in the values of the interest quantities, reason why they should be taken into consideration. Still in the transmission systems, the loads have a macro nature, as for example, cities, neiborhoods, or big industries. These loads are, generally, practically balanced, what reduces the necessity of utilization of three-phase methodology for the load flow calculation. Distribution systems, on the other hand, present different characteristics: the voltage levels are small in comparison to the transmission ones. This almost annul the capacitive effects of the lines. The loads are, in this case, transformers, in whose secondaries are connected small consumers, in a sort of times, mono-phase ones, so that the probability of finding an unbalanced circuit is high. This way, the utilization of three-phase methodologies assumes an important dimension. Besides, equipments like voltage regulators, that use simultaneously the concepts of phase and line voltage in their functioning, need a three-phase methodology, in order to allow the simulation of their real behavior. For the exposed reasons, initially was developped, in the scope of this work, a method for three-phase load flow calculation in order to simulate the steady-state behaviour of distribution systems. Aiming to achieve this goal, the Power Summation Algorithm was used, as a base for developing the three phase method. This algorithm was already widely tested and approved by researchers and engineers in the simulation of radial electric energy distribution systems, mainly for single-phase representation. By our formulation, lines are modeled in three-phase circuits, considering the magnetic coupling between the phases; but the earth effect is considered through the Carson reduction. It s important to point out that, in spite of the loads being normally connected to the transformer s secondaries, was considered the hypothesis of existence of star or delta loads connected to the primary circuit. To perform the simulation of voltage regulators, a new model was utilized, allowing the simulation of various types of configurations, according to their real functioning. Finally, was considered the possibility of representation of switches with current measuring in various points of the feeder. The loads are adjusted during the iteractive process, in order to match the current in each switch, converging to the measured value specified by the input data. In a second stage of the work, sensibility parameters were derived taking as base the described load flow, with the objective of suporting further optimization processes. This parameters are found by calculating of the partial derivatives of a variable in respect to another, in general, voltages, losses and reactive powers. After describing the calculation of the sensibility parameters, the Gradient Method was presented, using these parameters to optimize an objective function, that will be defined for each type of study. The first one refers to the reduction of technical losses in a medium voltage feeder, through the installation of capacitor banks; the second one refers to the problem of correction of voltage profile, through the instalation of capacitor banks or voltage regulators. In case of the losses reduction will be considered, as objective function, the sum of the losses in all the parts of the system. To the correction of the voltage profile, the objective function will be the sum of the square voltage deviations in each node, in respect to the rated voltage. In the end of the work, results of application of the described methods in some feeders are presented, aiming to give insight about their performance and acuit

Topics: Capacitor, Regulador de tensão, Cálculo de fluxo de carga, Otimização, Capacitor, Voltage regulatior, Load flour calculation, Optimization, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Publisher: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Year: 2014
OAI identifier: oai:agregador.ibict.br.RI_UFRN:oai:repositorio:123456789/15126
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