1 Desenvolvimento de um Algoritmo para Determinar Curvas de Carga a partir da Posse e dos Hábitos de Consumo para Consumidores: Residenciais, Comerciais e Industriais K. M. Santos, A. N. Souza, D. S. Gastaldello, C. C. O. Ramos e P. Costa Júnior Resumo—As modificações econômicas e as preocupações ambientais estão trazendo novos hábitos de consumo para os diversos consumidores, alterando desta forma a maneira de como a energia é utilizada. Este trabalho tem como objetivo apresentar a construção de curvas de carga diárias de consumidores residenciais, comerciais e industriais a partir da posse de equipamentos e hábitos de consumo. E ainda apresentar uma breve discussão sobre a aplicabilidade das curvas de carga no planejamento dos sistemas de distribuição de energia elétrica. Palavras-Chave—Curvas de carga, qualidade de energia, distribuição de Energia, Medição de energia. I. INTRODUÇÃO N OS últimos anos, o mercado energético brasileiro tem recebido influência de um conjunto de fatores e tendências associados à economia mundial, que ditam as condições e oportunidades de comércio, fluxo de capitais e inovações tecnológicas. Essas interações diárias são determinantes na oferta e demanda de energia. A edição de 2011 do anuário World Energy Outlook, divulgado pela Agência Internacional de Energia (AIE) estima que até 2035 o consumo de energia primária no Brasil deve aumentar 78%, sendo o segundo país em crescimento de consumo, perdendo apenas para a Índia. O lado mais visível da transformação em curso é a recente escalada de uma massa de pessoas para classes superiores de consumo. A maior variação deu-se na faixa intermediária, a chamada classe C, com renda mensal entre R$ 1.062,00 e R$ 2.017,00 [1]. A transformação da pirâmide econômica pressiona os diferentes segmentos da economia, considerando a cadeia de valores, onde existem fornecedores, produtores, distribuidores K. M. Santos, A. N. Souza, D. S. Gastaldello e P. Costa Júnior pertencem ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual Paulista – UNESP, Campus de Bauru, SP, Brasil (e-mails: [email protected], [email protected], [email protected] e [email protected]). C. C. O. Ramos pertence ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de São Paulo - USP, São Paulo, SP, Brasil (e-mail: [email protected]). e clientes com novas necessidades. E quanto ao sistema de distribuição e geração de energia não é diferente, estudos apontam que o consumo médio per capita em 2011 foi de aproximadamente 2.380 kWh/ano, em 2015 esse consumo passará para 2.922 kWh/ano e em 2020, 3.561 kWh/ano. Para atender esse aumento da demanda de energia elétrica que esta transformação econômica trará o sistema energético como um todo terá de se mobilizar procurando novas fontes de geração de energia elétrica e, principalmente, uma otimização do processo já existente. Sendo assim, a diminuição de perdas elétricas tanto técnicas quanto comercias devem ser exploradas ao máximo. Além disso, deverá haver um planejamento de expansão eficiente que atenda todos os novos mercados e aqueles que estão em processo de expansão. A grande dificuldade encontrada pelas empresas distribuidoras na obtenção das perdas elétricas de forma consistente é a quantidade de dados exigida por grande parte das metodologias encontradas atualmente. A dinâmica das cargas nos sistemas de distribuição dificulta ainda mais a atualização desses dados. Assim, a caracterização das cargas é um dos principais valores para o cálculo das perdas elétricas [2]. No trabalho [3] é apresentada a caracterização de curvas de cargas abrangendo consumidores residenciais, comerciais e industriais ligados em baixa tensão. Neste estudo, foram utilizados medidores eletrônicos para levantar a utilização real da energia dos consumidores. Para um dado consumidor ou transformador calculou-se as curvas médias e de desviopadrão, considerando intervalos de 15 minutos. Essas curvas foram denominadas: média {µ(t)} e desvio-padrão {σ(t)}. O passo seguinte foi a elaboração das curvas µ(t) e σ(t) para os seguimentos do mercado analisados (residencial, comercial e industrial de baixa tensão). Para isso, os consumidores residenciais foram agrupados por faixa de consumo e os consumidores comerciais e industriais por ramo de atividade. Para obter as curvas de carga dos transformadores basta agregarem as curvas de carga dos consumidores a ele conectados. O estudo feito por [4] apresenta uma ferramenta, o 2 software SIACC – Sistema Inteligente de Análise de Curvas de Carga que é um sistema computacional georeferenciado criado para análise de grandezas elétricas provenientes de medições de curvas de carga, sejam estas medidas em subestações de distribuição ou em consumidores de baixa e média tensão. Após tratamento dessas informações de medição, as mesmas são armazenadas na base de dados do software proporcionando análises de crescimento espacial de demanda e consequente avaliação do carregamento e da perda de vida útil em transformadores de distribuição. De maneira geral, o SIACC busca atender às necessidades da análise geográfica da carga que viabilize estudos voltados para análise de redes e previsão de mercado em diversos níveis, sendo eles: global, por subestação de distribuição e espacial. Desta forma, é proposta a construção de curvas de carga para consumidores residenciais, comerciais e industriais a partir da posse de equipamentos e dos hábitos de consumo. O método proposto neste artigo pode ser aplicado não apenas ao setor de planejamento das concessionárias, como também melhorar as estratégias de marketing. II. METODOLOGIA Serão apresentadas as metodologias utilizadas para construir os perfis de cada tipo de consumidor: residencial, comercial e industrial. TABELA I POTÊNCIA DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NAS SIMULAÇÕES Equipamentos Potência (W) Televisão 90 Chuveiro 4.400 Geladeira 130 Computador 120 Lâmpada 60 Máquina de Lavar Roupa 500 Aparelho de Som 80 Microondas 1.200 DVD 10 Ferro de Passar 1.000 Esta análise é feita para todos os equipamentos selecionados para simulação, depois de gerada a curva de carga de todos os aparelhos é construída a curva de carga diária da residência simulada somando-se, elemento a elemento, os vetores de consumo individual dos equipamentos. Depois de construída a curva de carga da unidade consumidora, calcula-se a potência total consumida naquele dia. Com o intuito de gerar curvas típicas para determinados perfis, o consumo das residências foi dividido por faixas, partindo do pressuposto que o consumo de energia elétrica não sofre oscilações bruscas de um dia para outro, ou seja, o consumo é uniforme. Desta maneira, os consumidores foram classificados com base na energia elétrica utilizada. A Tabela II mostra como foi feita esta divisão. A. Consumidores Residenciais Para construir o algoritmo primeiramente foi realizada uma ampla pesquisa sobre posse de equipamentos e hábitos de consumo dos consumidores residenciais. Para tal, foi utilizado o Sistema de Informação de Posses e Hábitos de Uso de Aparelhos Elétricos – SINPHA, desenvolvido para apresentar indicadores obtidos a partir dos dados das Pesquisas de Posse e Hábitos de Consumo de Energia – PPH. A partir dos levantamentos de dados feitos pelo SINPHA foi determinada a quantidade máxima de tempo que os aparelhos ficariam ligados durante o decorrer do dia, para montar a simulação. Desta maneira, foi usado o método da roleta viciada, muito usada em algoritmos genéticos, para sortear o período total que cada aparelho permanece em uso. Para alocar na curva de potência do equipamento esses períodos sorteados, um novo sorteio é realizado, sendo que nesta roleta são colocados os horários possíveis para um determinado aparelho ser utilizado. Há uma probabilidade maior de o uso acontecer no horário de ponta. Esta roleta leva em consideração os hábitos de consumo A Tabela I apresenta a relação dos aparelhos e suas respectivas potências utilizadas nas simulações do algoritmo. TABELA II CLASSIFICAÇÃO DOS CONSUMIDORES POR FAIXAS DE CONSUMO Consumo Mensal Consumo Diário Perfil (kWh) (kWh) 0 - 100 0 - 3,33 A 101 - 200 3,34 - 6,67 B 201 - 300 6,68 - 10 C 301 - 400 10,03 - 13,33 D Para gerar uma curva de carga típica de cada perfil de consumidor são geradas diversas curvas, estas são separadas através da potência consumida. Em seguida, calcula-se a média das curvas de carga diárias de cada faixa de consumo, construindo assim a curva característica dos perfis. É de conhecimento geral que o consumo em dias úteis é diferente do consumo em finais de semana e feriados. Desta maneira, o algoritmo foi modificado para estimar curvas de consumidores residenciais nesses dias em que o consumo é atípico. Investigando os hábitos de consumo dos usuários residenciais, mantendo a mesma relação de equipamentos que pode ser vista na Tabela II, vê-se que alguns equipamentos são utilizados por períodos maiores nesses dias. Desta forma, a estrutura do algoritmo não foi modificada, mas sim o tempo de uso e o horário de consumo dos equipamentos mais prováveis de serem utilizados em finais de semana e feriados. Portanto, a curva de carga de alguns aparelhos será modificada. Foram alteradas as curvas de carga dos seguintes 3 equipamentos: televisão, computador, DVD, ferro de passar e máquina de lavar roupa. Para a televisão e o computador o tempo de uso máximo durante o dia foi elevado, passou de 8 horas para 10 horas para a televisão; e para o computador, de 3 horas para 5 horas. A Fig. 1 apresenta um fluxograma do algoritmo construído para melhor exemplificar a lógica utilizada. tipo de atividade. Foi selecionada para a construção da curva de carga diária a atividade 5.769, que embora não seja a atividade mais representativa deste segmento comercial, é uma atividade com posse de equipamentos e hábitos de consumo bem regulares. O que facilita a estimativa das curvas de carga dessa atividade, visto que esses tipos de dados são escassos e de difícil acesso. Em [5] é apresentada uma classificação das principais atividades comerciais quanto ao número de consumidores cadastrados. Esta classificação é apresentada na Tabela III. TABELA III POTÊNCIA DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NAS SIMULAÇÕES Atividades Código Classificação Quantidade Bares, Botequins e Cafés 5.222 1 44.204 Comércio Varejista – 6.199 2 33.750 Outros Atividades não 6.999 3 28.736 Especificadas Outros Serviços 5.599 4 27.959 Comerciais Vestuário e Calçado 6.112 5 18.060 Assistência Odontológica 5.433 6 16.140 Veterinária Escrit. Empresas – Não 5.769 7 15.178 Específica Mercearias, Armaz. e 6.114 8 14.276 Padarias Manut. Conserv. Veículo 5.322 9 12.023 – Geral Barbearias, Saunas e 5.410 10 10.339 Lavanderias Fig. 1. Esquema do algoritmo construído. A probabilidade de uso no período também foi alterada, para a televisão no algoritmo que simulava o mesmo consumo para qualquer dia da semana a probabilidade de uso no horário de ponta era de 60% e os outros 40% era dividido igualmente no restante do dia. No refinamento feito, a probabilidade de uso no horário de ponta passou para 35%, sendo que no período entre as 16 horas e as 18 horas a probabilidade também é de 35%, entre as 10 horas e o meio dia a probabilidade de uso é de 25%, os outros 5% restante é dividido igualmente nos outros períodos do dia. Para o computador, as alterações foram mais simples, a probabilidade de uso foi igualmente dividida no período entre as 14 horas e as 22 horas. Para o DVD, o ferro de passar e a máquina de lavar roupas foram aumentados a probabilidades de esses equipamentos serem usados nesses dias. Essas probabilidades passaram de 50% para 70% para o aparelho de DVD, de 25% para 50% para o ferro de passar e 50% para 70% para a máquina de lavar roupas. B. Consumidores Comerciais Devido à grande diversidade de atividades de comércios e de indústrias, são mais de 200 variedades para cada segmento, é necessário construir as curvas de carga para cada Inicialmente foram levantados os principais equipamentos desse ramo de atividade e suas potências nominais. A Tabela IV apresenta os equipamentos utilizados na construção das curvas de carga e sua potência consumida. Sendo que o item servidor corresponde uma central com um computador e um sistema de refrigeração, e o item segurança corresponde a uma segunda central capaz de monitorar o estabelecimento e é composta por um computador, televisão e duas câmeras de segurança. TABELA IV EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NAS SIMULAÇÕES Equipamentos Potência (W) Servidor 1.120 Segurança 310 Lâmpada Fluorescente Tubular 40 Impressora 17 Computador 120 Ar-condicionado 1.000 O algoritmo foi construído de maneira semelhante ao de consumidores residenciais, primeiramente determinam-se as curvas de carga de todos os equipamentos para posteriormente estas serem agregadas, formando a curva de carga diária. O servidor e o sistema de segurança representam cargas com consumo constante, pois devem funcionar durante todo o dia, não podendo ser desligados em momento algum. Já as 4 lâmpadas fluorescentes, os computadores e os arescondicionados são utilizados apenas no horário comercial, podendo ser desligados durante o horário de almoço. Outro aspecto relevante para confeccionar as curvas de carga desse segmento é a quantidade de cada equipamento. No algoritmo para a lâmpada, o computador e o arcondicionado primeiramente é feito um sorteio para indicar a quantidade de cada um desses equipamentos. Quanto ao servidor e a segurança adotou-se que cada estabelecimento possui apenas um sistema de cada. Por fim, para a impressora também existe um sorteio que determina quantas vezes o aparelho será usado durante o dia. Com o intuito de gerar uma curva de carga diária que representasse um consumidor comercial da atividade 5.769, o algoritmo gera uma amostra com quantidade pré-determinada e calcula a média dessas curvas. C. Consumidores Industriais Como já foi dito no item anterior deste artigo, existem diversos tipos de atividades para o segmento industrial. Em [5] também é apresentada uma classificação de consumidores industriais quanto ao número de consumidores cadastrados por categoria. A Tabela V mostra esses dados até a décima classificação. Contudo, mesmo tendo conhecimento sobre a classificação dos consumidores industriais, de um consumidor para outro pode haver muitas diferenças quanto aos processos de fabricação. Fora esta observação, os dados sobre o segmento industrial não são de fácil acesso. A maioria das concessionárias não disponibiliza esses tipos de dados, pois muitas vezes esses dados estão diretamente relacionados com dados sigilosos da empresa. TABELA V CLASSIFICAÇÃO DO SEGMENTO INDUSTRIAL QUANTO AO NÚMERO DE CONSUMIDORES Atividade Código Classificação Quantidade Confecção Roupas e 2.510 1 5.562 Agasalhos Fabricação de Artigos 1.190 2 4.212 Metal Padaria 2.670 3 3.471 Serralheria/Reservatório 1.160 4 3.434 Fabricação de Artigos 3.099 5 3.107 Construção Civil 3.210 6 2.099 Fabricação de Peças 1.060 7 2.014 Cimento Fabricação de Móveis de 1.610 8 1.614 Madeira Fabricação de Plásticos 2.399 9 1.365 Fabricação de Máquinas 1.299 10 1.241 A saída encontrada para contornar tal obstáculo foi pesquisar em outros trabalhos dados sobre os segmentos acima. Em [6] é feito um estudo sobre o consumo de energia em indústrias têxteis, mostrando a evolução do consumo energético desse segmento, bem como as oportunidades de ganhos de eficiência. O algoritmo foi construído baseando-se em dados apresentados no trabalho [6]. Foram utilizados os valores totais da carga instalada em kW por seção da planta industrial. A Tabela VI apresenta tais dados. TABELA VI CARGA INSTALADA EM KW POR SEÇÃO EM UMA INDÚSTRIA TÊXTIL Seção Carga Instalada (kW) Fiação I 4.901 Fiação II 3.388 Acaba mento 1.756 Tecelagem 828 Tintura Fios 1.983 Utilidades 1.926 Escritório e Recepção 359 Total 15.141 O algoritmo construído primeiramente determina a curva de carga de cada seção. Após determinar estas curvas de carga, é gerada a curva de carga diária da indústria agregando-se as curvas das seções. As curvas de carga foram construídas simulando medições a cada hora, pois nesses grandes processos de fabricação a demanda não varia rapidamente. Para construir a curva de carga da seção o algoritmo inicialmente sorteia a porcentagem da demanda instalada que será usada, esse sorteio é feito a cada hora. Esta etapa é feita para todas as seções durante o horário de funcionamento da indústria que foi adotado como sendo das 6 horas às 24 horas, o que corresponde a dois turnos de trabalhadores. Algumas cargas relacionadas na Tabela VI funcionam vinte e quatro horas, são elas: a iluminação e ventilação. O escritório e a recepção funcionam em horário comercial. Os demais setores funcionam normalmente durante os turnos dos trabalhadores. Assim como nos outros tipos de consumidores, o intuito é gerar curvas de carga que representem um perfil dessa atividade industrial III. RESULTADOS E DISCUSSÕES As Fig. 2 e 3 apresentam as curvas diárias de cada perfil bem como a média dos perfis gerados para dias úteis e atípicos, respectivamente para consumidores residenciais. Os perfis construídos para os consumidores residenciais foram obtidos a partir de uma amostra de 1.000 curvas de carga tanto para dias úteis quanto para dias atípicos. Fig. 2. Perfis de consumidores gerados simulando dias úteis. 5 foram satisfatórios, as curvas apresentaram um consumo mais elevado durante o dia quando comparadas com as curvas de carga que simulam dias úteis. Pode-se observar ainda que a demanda média para os perfis construídos em dias atípicos é maior do que as obtidas nos perfis construídos para os dias úteis, tal como é mostrado na Tabela VII. Tal fato era esperado, visto que nesses dias os consumidores passam mais tempo em suas residências. Fig. 3. Perfis de consumidores gerados simulando dias atípicos. A Fig. 4 apresenta um perfil criado pelo algoritmo a partir de uma amostra de 1.000 curvas de carga diária do seguimento comercial. Fig. 4. Perfil gerado para consumidores comerciais do segmento de escritórios de empresas. A Fig. 5 apresenta um perfil construído pelo algoritmo para indústrias têxteis de grande porte, a amostra da qual foi tirada a média possuía 1.000 curvas de carga. Fig. 5. Perfil gerado para industriais têxteis de grande porte. Observando as curvas de carga obtidas para os consumidores residenciais, pode-se afirmar que os resultados obtidos estão dentro do esperado, uma vez que as curvas para dias úteis apresentam um comportamento típico que é um consumo maior durante o horário de ponta que se dá, aproximadamente, entre as 18h e às 21h. Para as curvas dos dias atípicos os resultados também TABELA VII COMPARAÇÃO ENTRE A DEMANDA MÉDIA ENTRE DIAS ÚTEIS E ATÍPICOS Dia Úteis Dias Atípicos Perfil Demanda Média (kW) Demanda Média (kW) B 0,0686 0,0689 C 0,0872 0,0919 D 0,1081 0,1123 Os resultados obtidos para os consumidores comerciais e industriais também se encontram dentro das expectativas, pois as curvas de carga estão próximas daquelas encontradas na literatura referente ao assunto. A curva de carga dos consumidores comerciais apresentou um consumo praticamente constante durante quase todo o período comercial, exceto no horário de almoço em que os funcionários deixam seus postos de trabalho. Já a curva de carga do perfil do segmento industrial apresentou um bom comportamento, um consumo com algumas oscilações e uma brusca queda nos horários de almoço e janta. A comparação entre curvas de carga de consumidores industriais não é viável, pois a diferença entre os processos de produção de uma indústria para outra é muito significativa, dificultando desta forma o confronto entre diferentes consumidores. Vê-se que no horário de ponta a demanda requerida é muito alta, solicitando grandes esforços dos sistemas de distribuição. Procurando minimizar tal problema a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) está ampliando o conjunto de modalidades de cobrança de tarifa para os consumidores ligados em baixa tensão, e desta forma promover um deslocamento temporal do consumo. Esta mudança afetaria principalmente os consumidores residenciais [7]. A consequência seria a redução do custo médio para o consumidor e aumento da eficiência no uso das redes de distribuição de energia elétrica, que pode resultar, assim, em postergação de investimentos. Um estudo feito pela ANEEL evidencia os benefícios para o sistema de distribuição que a realocação de uma parte do consumo ao longo do dia pode trazer. Suponha um usuário com consumo de 50% da energia elétrica no horário de ponta, com duração de 3 horas, aproximadamente entre as 18 horas e as 21 horas, por um alimentador exclusivo, com perda de 3%. O deslocamento de 20% do consumo durante o horário de ponta, sem redução da energia consumida induz dois efeitos no alimentador: redução de 40% no carregamento e de 1,32% no nível de perdas técnicas [7]. Portanto, a diminuição 6 do consumo na hora da ponta de carga leva à redução nos investimentos futuros para atendimentos de consumos marginais Entretanto, para ocorrer a implantação da mudança na forma de tarifar os consumidores ligados em baixa tensão será necessário substituir os medidores convencionais por medidores eletrônicos. Como a tecnologia do smart meter é relativamente recente, ainda está sendo desenvolvido um medidor que atenda as necessidades tanto dos consumidores quanto das concessionárias. VI. REFERÊNCIAS [1] [2] [3] [4] IV. CONCLUSÕES Este artigo apresentou o desenvolvimento de um algoritmo que tem como objetivo gerar curvas de carga de consumidores residenciais em dias úteis e atípicos e ainda, gerar curvas típicas de carga para consumidores comerciais para a atividade escritório de empresa (atividade 5.769) e para consumidores industriais do tipo têxtil com elevada carga instalada. Os resultados referentes à simulação de consumo podem ser considerados satisfatórios, uma vez que as curvas de carga geradas pelas simulações apresentaram comportamento semelhante às curvas obtidas em situações reais de medição. O comportamento de consumo de cada perfil gerado pode ser analisado pelos dados extraídos destas curvas. Alguns levantamentos feitos sobre o crescimento da demanda de energia elétrica nos próximos anos no Brasil reforça a importância do conhecimento dos hábitos de consumo e da posse de equipamentos dos diversos tipos de consumidores frente ao planejamento do sistema elétrico. O uso consciente por parte dos consumidores traz benefícios tanto para as concessionárias quanto aos próprios consumidores. A possibilidade do conhecimento da carga a ser atendida pode trazer consideráveis melhorias quanto ao que se diz respeito ao conhecimento dos reais requisitos de cada parcela do mercado consumidor, a definição dos custos de fornecimento, otimização dos recursos destinados ao planejamento de expansão dos sistemas elétricos, dentre outros. Um importante passo a ser dado é ampliação do algoritmo para construir curvas de carga de consumidores comerciais e industriais e atender novas atividades desses segmentos, mesmo diante das dificuldades em se obter alguns dados, principalmente referente a consumidores industriais. As etapas seguintes da pesquisa serão realizadas visando o aprimoramento do algoritmo construído com a implantação de técnicas de inteligência artificial na classificação de padrões de consumo. Por fim, será feita a realização de testes e validações das topologias inteligentes desenvolvidas. V. AGRADECIMENTOS Agradecemos a FAPESP pelo incentivo e apoio financeiro dado a esta pesquisa. [5] [6] [7] P. Peduzzin. Demanda de Energia no Brasil Crescerá 78% até 2035. [Online]. Disponível: http://www.planetasustentavel.abril.com.br/noticia/energia/demandaenergia-brasil-crescera-78-2035-648158.shtmal. M. E. Oliveira, "Avaliação de Metodologias de Cálculo de Perdas Técnicas em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica," Tese de Doutorado, Universidade Estadual Paulista, Campus de Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Elétrica, 2009. J. A. Jardini, C. M. V. Tahan, M. R. Gouvêa, S. U. Ahn e F. M. Figueiredo, " Daily Load Profiles for Residential, Commercial and Industrial Low Voltage Consumers," IEEE Trans. Power Delivery, vol. 15 no. 1, 2000. C. C. B. Oliveira, M. M. Filho, C. S. Silveira, R. G. Moreno, E. A. Ushimara, P. F. B. Junior, E. L. C. Maques, M. A. S. Ferreira e R. O. Guimarães, “SIACC – Sistema Inteligente de Análise de Curvas de Carga pra Estudos de Previsão de Demanda e de Análise de Redes,” in XIX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, 2010. J. A. Jardini, Curvas de Carga, São Paulo, 1999. S. M. G. Guerra, M. A. Danella, S. A. S. Silva e R. A. Castro. Consumo de Energia e Desempenho da Indústria Têxtil Oportunidades de Eficientização Energética [Online]. Disponível: http://seeds.usp.br/portal/modules/news/ ANEEL, Estrutura Tarifária Para o Serviço de Distribuição de Energia Elétrica. Nota Técnica nº 362/2010-SRE-SRD/ANEEL Brasília, 06 de Dezembro de 2010.