SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GPL-26 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais GRUPO VII GRUPO DE ESTUDO DE PLANEJAMENTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GPL IDENTIFICAÇÃO DOS BENEFICIÁRIOS E ALOCAÇÃO DE CUSTOS DE EXPANSÃO DO SUPORTE DE POTÊNCIA REATIVA Ricardo B. Prada* PUC-Rio Gisela A.S. Nogueira PUC-Rio / UCP Marco A. M. Vieira PUC-Rio atualmente ONS RESUMO No novo modelo do setor elétrico os serviços ancilares à operação do sistema elétrico visam permitir que a energia elétrica chegue aos consumidores com segurança e confiabilidade. Entre estes serviços encontra-se o suporte de potência reativa, necessário para manter as tensões dentro de suas faixas operativas. Este trabalho apresenta, de forma pioneira, dois métodos baseados em técnicas de otimização e confiabilidade para identificar os beneficiários e alocar entre eles os custos de expansão do suporte reativo. Exemplos ilustrativos são mostrados com o sistema IEEE de 24 barras e com a Área Rio. PALAVRAS-CHAVE Serviços Ancilares. Potência Confiabilidade. Fluxo de Potência Ótimo. Reativa. 1.0 - INTRODUÇÃO Serviços Ancilares (SAs) são aqueles cuja função primordial é de fornecer os subsídios necessários para se garantir a operação eficiente e segura de um sistema de potência, visando sempre a integridade física de sua rede de transmissão através da correção de defeitos e prevenção de falhas que nela ocorrem. O SA tratado neste artigo é o de suporte de potência reativa, necessário para assegurar níveis de tensão adequados, em condições normais e de contingência. Determinadas situações, como, por exemplo, variações de carga e perda de Javier O. Soto, Luiz G. B. Marzano, Albert C.G. de Melo CEPEL componentes (linhas de transmissão, geradores, etc.) podem causar desvios de tensão que não são desejáveis em operação normal. Para a obtenção do perfil de tensão desejado, utiliza-se a compensação da potência reativa através da instalação de equipamentos de geração/absorção de potência reativa, como capacitores, reatores, compensadores síncronos e estáticos, bem como através da própria utilização das unidades geradoras das usinas. Este trabalho propõe duas abordagens para repartir o custo de capital de novas fontes de potência reativa. A primeira abordagem define um fator de alocação de custos proporcional ao benefício que a instalação do equipamento de compensação de potência reativa traz para cada barra do sistema, quando adotadas medidas corretivas na ocorrência de contingências na rede elétrica. A segunda abordagem define um fator de alocação de custos proporcional à parcela de responsabilidade de cada barra do sistema. Esta parcela é determinada pelos fatores de sensibilidade das barras em relação à aplicação de medidas corretivas no sistema, para uma série de contingências. As medidas corretivas são necessárias para eliminar desvios de tensão das barras do sistema na ocorrência de uma lista de contingências e tem como objetivo principal reconduzir o sistema a um ponto de operação sem violações das faixas de tensão definidas para a operação segura do * Departamento de Engenharia Elétrica Rua Marquês de São Vicente, 225 - Gávea - 22453-900 - Rio de Janeiro – RJ - BRASIL Tel.: (21) 31141214 - Fax: (21) 31141232 - E-MAIL: [email protected] 2 sistema. Neste artigo, as medidas corretivas consideradas são o Corte de Carga e a Injeção de Potência Reativa. Nas duas abordagens os fatores de alocação são calculados para contingências na transmissão. É importante observar que os usuários do serviço de suporte de potência reativa são as barras de carga do sistema. 2.0 - CONFIABILIDADE [1],[2] O programa NH2 é um sistema computacional capaz de calcular simultaneamente todos os indicadores probabilísticos de confiabilidade. Estes podem ser obtidos de duas maneiras distintas: antes ou depois da ação de medidas corretivas para eliminar as violações operativas. Utiliza-se um algoritmo de fluxo de potência ótimo não-linear (FPO) para cálculo dessas medidas corretivas. 2.1 FPO Baseado em Pontos Interiores As medidas corretivas para a eliminação dos desvios indesejáveis de tensão podem ser matematicamente representadas pelas seguintes funções objetivo: • • Mínimo Corte de Carga [5] Mínima Alocação de Potência Reativa [8] O FPO é resolvido pelo “Método de Pontos Interiores”, baseado em um algoritmo primal-dual de barreira logarítmica [3]. O método direto implementado no NH2, consiste em aplicar o método de Pontos Interiores ao problema de programação não-linear original [3]. Tem a vantagem de não depender da convergência de qualquer algoritmo de fluxo de potência, já que esta só é verificada na solução ótima. Na análise de contingências, especialmente com sistemas estressados, o FPO baseado em Pontos Interiores é a melhor alternativa de solução. 2.2 Análise de Confiabilidade Após a ocorrência de uma contingência, o sistema pode apresentar problemas de violações de tensão. A estratégia usada no NH2 consiste em solucionar o problema através das medidas corretivas. Em seguida são calculados os índices de confiabilidade correspondentes [4]. 2.2.1 Métodos de Seleção de Estados O método de enumeração tem como idéia básica a seleção de um conjunto de estados segundo um critério misto de severidade / probabilidade. A severidade é geralmente estimada por índices de desempenho que tentam prever o impacto das contingências para o cenário em questão. O método de Monte Carlo consiste no sorteio do estado de variáveis aleatórias quando suas distribuições de probabilidade são conhecidas. É bastante eficiente para análise de confiabilidade composta (geração / transmissão). Para este estudo o método utilizado é o da enumeração, pois são consideradas somente as contingências na transmissão, as quais são mais severas, em geral, do que as de geração. 3.0 -MÉTODO PROPOSTO DE ALOCAÇÃO DE CUSTOS O problema de alocação do custo de capital de uma fonte de potência reativa consiste, em primeiro lugar, na identificação dos usuários da rede de transmissão que estão sendo beneficiados pelo equipamento e, então, na determinação dos fatores de repartição (ou alocação) para cada um desses agentes. Neste trabalho o serviço de suporte de potência reativa é concebido exclusivamente para sanar problemas de tensão na rede. Por este motivo, somente a monitoração dos limites de tensão nas barras foi contemplada, ou seja, os limites operativos dos fluxos nas linhas de transmissão, bem como de intercâmbio entre áreas, não foram considerados. Nos eventos de contingências, as medidas corretivas são efetuadas com a finalidade de se obter um ponto de operação sem violação de tensão. Na situação de corte de carga ou de injeção de potência reativa, o montante de corte ou de injeção pode ser observado como um aferidor da severidade da contingência. Um outro aferidor de severidade de casos devido a problemas de tensão pode ser os multiplicadores de Lagrange associados aos problemas de mínimo corte de carga e mínima alocação de reativos. 3.1 Primeira Abordagem: Benefício das Medidas Corretivas [7] 3.1.1 Fatores de Alocação pelo Benefício do Corte de Carga (BCC) Utiliza-se como medida do benefício decorrente do suporte de potência reativa, fornecido por um determinado equipamento, os mínimos cortes de carga que levam o sistema a um ponto de operação sem violações das faixas operativas de tensão. Para o caso-base e cada caso-contingência, o benefício por barra é mensurado pela diferença entre os mínimos cortes de carga obtidos através de duas situações: equipamento “desconectado” e “conectado” ao sistema. Os fatores de alocação do custo de capital do equipamento, por sua vez, são obtidos a partir dos valores esperados do benefício em cada barra. Considerando que para cada contingência j tem-se uma probabilidade de ocorrência pj, pode-se calcular o valor esperado do benefício obtido (BCC) em cada barra i: 3 E[BCCi ] = k +1 Â p j ¥ BCCi, j (1) j=1 O valor do benefício total do sistema é por: n k +1 E[BCCsist ] = Â Â p j ¥ BCCi, j (2) i=1 j=1 O Fator de Alocação por Cortes de Carga (FACC) é: E[BCCi ] FACCi = (3) E[BCCsist ] 3.1.2 Fatores de Alocação pelo Benefício de Injeção de Potência Reativa (BIR) Utiliza-se como medida do benefício decorrente do suporte reativo, fornecido por um determinado equipamento, as mínimas injeções de potência reativa que levam o sistema a um ponto de operação sem violações das faixas operativas de tensão. Para o caso-base e cada caso-contingência, o benefício por barra é mensurado pela diferença entre as mínimas injeções de potência reativa obtidas através de duas situações: equipamento “desconectado” e “conectado” ao sistema. Os fatores de alocação do custo de capital do equipamento, por sua vez, são obtidos a partir dos valores esperados do benefício em cada barra. Considerando que para cada contingência j tem-se uma probabilidade de ocorrência pj, pode-se calcular o valor esperado do benefício obtido (BIR) para cada barra i: E[BIRi ] = k +1 Â p j ¥ BIRi, j (4) j=1 O valor do benefício total do sistema é: n k +1 E[BIR sist ] = Â Â p j ¥ BIRi, j (5) i=1 j=1 O Fator de Alocação por Injeção de Potência Reativa (FAIR) é: FAIRi = E[BIRi ] E[BIRsist ] (6) 3.2 Segunda Abordagem: Responsabilidade [9] O multiplicador de Lagrange associado a cada barra dos problemas de mínimo corte de carga e mínima alocação de potência reativa, é definido como a sensibilidade do valor ótimo da função objetivo (função corte de carga ou função alocação de potência reativa) com relação às restrições de igualdade correspondentes (balanço de potência ativa e reativa). Portanto, o multiplicador de cada barra estima o quanto irá variar o montante de corte de carga / injeção de potência reativa no sistema em função de um incremento de demanda na barra. Em termos numéricos, significa que para cada 1 MW ou 1 MVAr de incremento de carga em uma determinada barra, o montante de corte de carga / injeção de potência reativa do sistema variará proporcionalmente ao valor do multiplicador desta barra. A sensibilidade de cada barra em relação à aplicação de medidas corretivas (corte de carga ou alocação de potência reativa) é representada pelo multiplicador de Lagrange de cada barra. Pode-se dizer, então, que os multiplicadores de barra deverão ser maiores nas barras onde houver corte de carga / injeção de potência reativa e nas barras vizinhas, e menores nas barras mais distantes. 3.2.1 F a t o r e s de Alocação Utilizando Multiplicadores de Lagrange do Problema do Mínimo Corte de Carga Considerando que o mínimo corte de carga é uma representação matemática de uma medida corretiva, adotada em casos onde existem violações de tensão, e os multiplicadores de barra são calculados com base no montante de corte de carga, tais multiplicadores podem ser utilizados como critério de seleção de barras responsáveis pela necessidade da instalação de uma fonte de potência reativa no sistema. Vale ressaltar que o objetivo desta fonte, conectada a uma determinada barra, é manter a tensão nos limites adequados tanto em condições normais como em condições de contingências. 3.2.2 F a t o r e s de Alocação Utilizando Multiplicadores de Lagrange do Problema da Mínima Injeção Reativa Da mesma forma, considerando que a mínima injeção de potência reativa é uma representação matemática de uma medida corretiva, adotada em casos em que existem violações de tensão, e os multiplicadores de barra são calculados com base no montante de potência reativa alocada, estes multiplicadores podem ser utilizados como critério de seleção de barras responsáveis pela necessidade da instalação de uma fonte de potência reativa no sistema. Da mesma maneira, o objetivo desta fonte, conectada em uma determinada barra, é manter a tensão nos limites adequados tanto em condições normais como em condições de contingências. O multiplicador de barra (Mb) é o parâmetro básico desta abordagem. O grau de responsabilidade (GR) de cada barra i para cada contingência j é dado por: GR ij = Mb ij (7) Considerando que para cada contingência j tem-se uma probabilidade de ocorrência pj, o valor esperado de GR de cada barra i é: k +1 E[GRi ] = Â p ¥ GR j j i (8) j=1 A parcela de responsabilidade (PR) de cada barra é: PRi = E[GRi ] n k +1 Â Â p j ¥ GRij i=1 j=1 (9) Fator de Alocação (%) 4 4.0 - RESULTADOS NUMÉRICOS 4.1 Sistema-Teste de 24 Barras [6] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 O objetivo do estudo é identificar as barras que repartirão entre si os custos da instalação do equipamento de potência reativa. Fator de Alocação (%) Nas Figuras 1 e 2 estão apresentados os resultados da abordagem baseada no beneficio das medidas corretivas, quais sejam a injeção de potência reativa e o corte de carga [7]. Em ambos os casos, a maior concentração do benefício devido ao equipamento instalado na barra 3, está nela própria (cerca de 95% para o caso de injeção de potência reativa e cerca de 90% para o caso de corte de carga). Este comportamento se mantém nos três anos do estudo. As outras barras apresentam fatores bem menores. Quando a medida corretiva é a alocação de potência reativa, somente as barras 4, 6 e 8, além da barra 3, têm participação na alocação. Já no caso do corte de carga, além da barra 3, as barras 4, 6, 8, 9 e 10 participam do rateio dos benefícios do suporte de potência reativa fornecido pelo equipamento. As barras mencionadas são as que efetivamente sofreram injeção de potência reativa ou corte de carga. Portanto, por esta abordagem, o beneficio é medido pelo corte ou injeção de potência “evitado” pela existência do equipamento de suporte de potência reativa. Assim sendo, tais barras têm beneficio direto com a instalação do equipamento. Nas Figuras 3 e 4 estão apresentados os resultados da abordagem baseada na responsabilidade das barras, calculadas através dos multiplicadores. Para ambas medidas corretivas, o maior valor fator de alocação corresponde ao da barra 3. Este comportamento se repete nos três anos. 01020304050607080901001234567891013141516181920Num. da Barra ano 1 ano 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 14 15 16 18 19 20 Num. da Barra FIGURA 2 - Variação anual dos fatores de alocação pelo benefício do corte de carga Nesta abordagem observa-se um maior número de barras com fatores de alocação comparando-se com os resultados da primeira abordagem. Isto por que a responsabilidade é atribuída também às barras causadoras de tensões violadas, onde não há a aplicação direta de medidas corretivas. Não seriam barras onde corte de carga ou injeção de potência reativa seriam recomendadas pelo programa de otimização. Um exemplo é uma barra intermediária de um circuito radial, cuja carga causa queda de tensão e faz com que a tensão na barra terminal esteja violada. O corte de carga ou injeção de potência reativa pode ser recomendado somente na barra terminal. Quando a medida corretiva é a alocação de potência reativa as barras 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 19 e 20 têm atribuído a si fatores de alocação. No caso do corte de carga só as barras 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 e 10 participam. 35 Ano 0 30 Fator de Alocação (%) Para que o estudo fosse adequado ao propósito deste trabalho, algumas mudanças em relação à configuração original foram realizadas. Além de um aumento linear de carga, supôs-se que os capacitores das barras 5 e 8 já existiam e que o da barra 3 seria instalado. Foi contemplado um horizonte de 3 anos para o total retorno do investimento. Considerou-se um incremento de carga, para cada barra do sistema, de 2% ao ano. ano 0 Ano 1 25 Ano 2 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 14 15 16 18 19 20 Número da Barra FIGURA 3 – Variação anual dos fatores de alocação utilizando multiplicadores de Lagrange do problema da mínima injeção reativa ano 0ano 1ano 2 45 Ano 0 Ano 1 Ano 2 Fator de Alocação (%) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 14 15 16 18 19 20 Número da Barra FIGURA 1 - Variação anual dos fatores de alocação pelo benefício da injeção reativa FIGURA 4 – Variação anual dos fatores de alocação utilizando multiplicadores de Lagrange do problema do mínimo corte de carga 5 Uma outra característica é que o número de barras beneficiadas continua pequeno, como no teste com o sistema de 24 barras. Para ambas as medidas corretivas, as barras que têm a si atribuídos fatores de alocação são TERESOPOLIS 138 kV e PALMAS 0102030405060708090166817521754175717591780Num. da Barra Ano 0Ano 1Ano 2Ano 3 Fator de Alocação (%) Nas Figuras 5 e 6 são apresentados os resultados da abordagem baseada no benefício das medidas corretivas, injeção de potência reativa e corte de carga [8]. Em ambos casos a barra com maior fator de alocação é a barra de FRIBURGO 138 kV. Além disso, ele vai crescendo ao longo dos anos. Notar que a barra de FRIBURGO 138 kV é a barra onde foi instalado o equipamento. Fator de Alocação (%) Apresenta-se a aplicação do método na Área Rio. Os dados são do Plano de Ampliações e Reforços do ONS de 2003-2005. Atualmente a Área Rio tem as seguintes características: diminuição da carga devido ao racionamento e aumento de oferta de energia devido às novas usinas que entraram em operação. Nenhuma compensação reativa é necessária. Por este motivo foi necessário aumentar a carga para toda a Área Rio. Foi aumentada a carga numa região crítica localizada em Friburgo 138 kV e Rocha Leão 138 kV. Finalmente, para viabilizar a operação nessa região é necessário instalar 45 MVAr em Friburgo 138 kV. Supõe-se que este equipamento será amortizado em 4 anos, e em cada ano um aumento de carga de 2%. Nas Figuras 7 e 8 são apresentados os resultados para a abordagem baseada na parcela de responsabilidade com as medidas corretivas de corte de carga e injeção de potência reativa [9]. Observa-se que a barra com maior responsabilidade é também FRIBURGO 138 kV. Nota-se que o número de barras com participantes é maior, como no teste com o sistema de 24 barras. FIGURA 5 – Variação anual dos fatores de alocação pelo benefício da injeção reativa 0102030405060708090166817521754175717591780Num. da Barra Ano 0Ano 1Ano 2Ano 3 FIGURA 6 – Variação anual dos fatores de alocação pelo benefício do corte de carga 0204060801001202582731601162016671745175017521754175717801696Número das Barras (%) 4.2 Sistema da Área Rio [8], [9] 138 kV. Os valores são bastante similares em ambos os casos. Fator de Alocação Nos casos apresentados, as variáveis de controle do problema de otimização permanecem fixas e no caso de corte de carga não foram considerados os limites de carregamento nos circuitos. Ano 0Ano 1Ano 2Ano 3 FIGURA 7 – Variação anual dos fatores de alocação utilizando multiplicadores de Lagrange do problema do mínimo corte de carga -5051015202530258259273286160116021606162016271667166816941696170717081709171217131715171617181731173217401745175017521754175717591761176317661780Número FIGURA 8 – Variação anual dos fatores de alocação utilizando multiplicadores de Lagrange do problema da mínima injeção reativa 6 5.0 - CONCLUSÕES Este trabalho teve por objetivo estudar, de forma pioneira, um método de alocação do custo de capital de novas fontes de potência reativa. O método proposto fundamentou-se em técnicas de otimização e confiabilidade para identificar os beneficiários e alocar entre eles os custos de expansão do suporte reativo. A primeira abordagem baseia-se em índices de confiabilidade que mede o benefício às barras devido à instalação do novo equipamento. Este benefício é obtido pela diferença entre os valores de uma medida corretiva (corte de carga ou injeção de potência reativa), em situações de contingência na malha de transmissão, observados em duas configurações distintas: quando o equipamento está conectado ao sistema e quando não está conectado. A segunda abordagem baseia-se também em confiabilidade. A parcela de responsabilidade de cada barra, devido à necessidade da instalação do novo equipamento, é calculada a partir dos multiplicadores de Lagrange associados ao problema de cálculo das medidas corretivas. Estes multiplicadores medem a sensibilidade das barras com relação à função objetivo. Portanto, na primeira abordagem os fatores de alocação são calculados considerando os pontos de operação antes e depois da instalação do equipamento. Por outro lado, na segunda abordagem os fatores de alocação são calculados sem considerar a instalação do equipamento. Nas duas abordagens consideradas, as medidas corretivas, utilizadas para viabilizar a operação do sistema, são representadas por funções matemáticas, a saber, o mínimo corte de carga e a mínima injeção de potência reativa. Foram realizadas simulações com o sistema IEEERTS de 24 barras e com o sistema da Área Rio. Com a abordagem baseada em responsabilidades, determina-se um número maior de barras que participam da alocação dos custos do equipamento de potência reativa, do que com a abordagem baseada em benefícios. Isto por que, nesta abordagem, o beneficio é medido pelo corte ou injeção de potência “evitado” e, portanto, têm um beneficio “direto” com a instalação do novo equipamento. Por outro lado, naquela abordagem, a responsabilidade é atribuída também a barras causadoras de tensões violadas, mesmo sem que haja participação direta dessas barras no corte de carga/injeção reativa. Um exemplo é uma barra intermediária de um circuito radial, cuja carga causa queda de tensão e faz com que a tensão na barra terminal esteja violada. Pode-se, então, concluir que a abordagem baseada em responsabilidades produz resultados mais refinados, já que identifica um maior número de barras que, direta ou indiretamente, causam impactos no perfil de tensão da malha elétrica. Os testes realizados mostraram que os fatores de alocação podem variar ao longo dos anos de amortização do equipamento, refletindo as próprias mudanças nas configurações do sistema. O método apresentado pode ser aplicado tanto em estudos de planejamento da expansão, quando as fontes de compensação reativa em análise ainda não foram agregadas ao sistema, como em estudos de planejamento da operação, quando estas fontes já existem. Nesse caso, o resultado produzido pelo método são os fatores de alocação entre as barras do sistema dos custos de operação dos equipamentos de suporte reativo (supondo-se que o custo de investimento desse equipamento já tenha sido recuperado). 6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CENTRO DE PESQUISAS EM ENERGIA ELÉTRICA, Sistema Computacional NH2 para Análise Probabilística e Avaliação de Confiabilidade de Sistemas de Grande Porte, Manual de Metodologia, Versão 5.0, dezembro, 1998. [2] BILLINTON, R., ALLAN, R.N., Reliability Evaluation of Power Systems, Plenum Publishing, New York, 1984. [3] GRANVILLE, S., Optimal Reactive Dispatch Through Interior Point Methods, IEEE Trans. on Power Systems, Vol.9, No.1, February, 1994. [4] PEREIRA, M.V.F., BALU, N.J., Composite Generation/Transmission Reliability Evaluation, Proc. IEEE (invited paper), Vol. 80, N° 4, April 1992. [5] MELO, A.C.G., MELLO, J.C.O., OLIVEIRA, A.M., DORNELLAS, C.R.R., GRANVILLE,S., SOTO, J.O., PESSANHA, J.F.M., FONTOURA, R.N., SCHILLING, M.T., Análise Probabilística na Avaliação do Desempenho de Redes Elétricas Novos Desenvolvimentos do Modelo NH2, XV SNPTEE, Foz de Iguaçu, Paraná, outubro, 1999. [6] IEEE RTS Task Force of the AMP Subcommittee, IEEE Reliability Test System, IEEE Trans. on PAS, Vol. 98, No. 6, 1979. [7] VIEIRA, M.A.M.M, Alocação do Custo de Capital de Fontes de Potência Reativa, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Elétrica, PUC-Rio, julho, 2001. [8] SOTO, J.O., Alocação de Custos de Novas Fontes de Potência Reativa em Ambientes Competitivos, Trabalho de Estudo Orientado na PUC-Rio, julho de 2001. [9] NOGUEIRA, G.A.S., Precificação de Fontes de Potência Reativa: Critérios de Seleção de Barras para os Métodos de Alocação de Custos, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Elétrica, PUC-Rio, março, 2003.