CONTROLE INTELIGENTE DE TENSÃO EM REDE SECUNDÁRIA UTILIZANDO ESTIMAÇÃO
ELÉTRICA DO MODELO DO TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO
MICHELE A. HARO1, ROGÉRIO A. FLAUZINO1, ERNESTO A. MERTENS JR1, RENE T. M. PORTAL1,
DANILO H. SPATTI1, IVAN N. SILVA1
1. Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo
Avenida Trabalhador São-carlense, 400, 13566-590 São Carlos, SP, BRASIL
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract The aim of this article is to present the problems involved in the control of voltage on the low voltage side of distribution transformers. As proposed for the dealings of this problem is made the presentation of an architecture for the intelligent
automatic control of voltage. The goal with this design is to provide grants to set up a system for regulating the voltage on the
low side which is technically and economically feasible to be deployed where conventional solutions, with the inclusion of line
regulators, are not.
Keywords Intelligent control of voltage, secondary distribution grid, intelligent systems
Resumo O objetivo deste trabalho é apresentar uma solução de controle de tensão nas redes secundárias de distribuição de energia elétrica, utilizando-se de ferramentas inteligentes e dos modelos elétricos dos transformadores de distribuição. O produto
final configura-se como um conjunto de hardware e software capaz de promover o controle automático de tensão no lado de baixa de maneira técnica e economicamente viável em um cenário onde as ferramentas convencionais não o são.
Palavras-chave Controle inteligente de tensão, rede secundária, sistemas inteligentes.
1
Introdução
A regulação da tensão, no contexto da baixa
tensão da distribuição de energia elétrica, constitui
um problema em aberto e há necessidade de
refinamento em função dos aspectos regulatórios não
apenas do setor elétrico brasileiro, mas mundial.
Assim, é nesse contexto que se observa uma busca
por alternativas que permitam realizar o controle de
tensão que sejam capazes de atender aos seguintes
requisitos:
 Manter a tensão dentro da faixa considerada adequada;
 Ser técnica e economicamente viável;
 Não degradar os índices de qualidade do fornecimento de energia elétrica no sistema de distribuição em que se insere.
Tendo como base as abordagens convencionais
para regulação de tensão em sistemas de distribuição,
os aspectos citados acima podem não ser plenamente
atendidos, pois estas seguem rotinas testadas
empiricamente por (MCQUEEN; HYLAND;
WATSON, 2005). Por abordagem convencional citase o controle de tensão por comutação de derivação
em transformadores de força e em reguladores de
tensão de linha. Ambas as alternativas realizam o
controle de tensão na média tensão e que em muitos
casos não são suficientes para manter a tensão na
rede secundária dentro dos valores adequados, sendo
necessário o investimento em obras de alto custo e
complexidade, como um recondutoramento ou
extensão da rede de distribuição.
Muitas pesquisas ainda consideram a geração
distribuída, conectada diretamente à rede secundária
como uma ferramenta para auxiliar no controle de
tensão, porém tais geradores podem comprometer o
controle de tensão, conforme mencionados por
(O´GORMAN; REDFERN; AL-NASSERI, 2005),
(CONTI, 2006) e (TSIKALAKIS; SOULTANIS;
HATZIARGYRIOU, 2006).
Muitas vezes a melhoria na regulação de tensão
na rede secundária de distribuição é alcançada por
meio de ações na rede primária, como é o caso de
(PROVOOST; MYRZIK; KLING, 2006) e
(KULKARNI; UDUPI, 2010) que utilizam
ferramentas inteligentes.
A regulação de tensão na baixa tensão é
importante para garantir a conformidade da tensão de
fornecimento aos clientes ligados no secundário do
transformador, ou seja, garantir a satisfação dos
consumidores e evitar as compensações financeiras
para as concessionárias.
Para tanto, esse artigo encontra-se organizado
tendo na Seção 2, o propósito do trabalho e as
questões regulatórias acerca da tensão de
fornecimento de energia no Brasil. Também é
apresentada nessa seção a análise estatística das
leituras de tensão em clientes de baixa tensão.
Através dessa análise, foi possível especificar os
transformadores pilotos. Na Seção 3 apresenta-se o
método para o controle inteligente de tensão, baseado
na lógica fuzzy e no modelo elétrico do
transformador. A Seção 4 apresenta os resultados
alcançados através projeto piloto montado em
laboratório e em campo. Por fim, as discussões são
apontadas na Seção 5.
2 Propósito
Tendo como base essa necessidade do setor
elétrico por um sistema de regulação no lado de
baixa tensão e a importância desse tema,
desenvolveu-se um transformador de distribuição
com comutação de derivações na baixa tensão,
realizando o controle da tensão em ponto mais
próximo ao ponto de acoplamento dos clientes.
Para o transformador de distribuição, a proposta é
especificar o número de derivações e o espaçamento
dos degraus no lado secundário, de forma que seja
eficiente na regulação de tensão em qualquer ponto
de instalação na rede de distribuição.
Para o controle de tensão, a proposta é a
utilização de sistemas inteligentes visando fornecer
soluções eficientes para o controle de tensão nos
transformadores, garantindo que a tensão de
fornecimento seja entregue aos consumidores em
conformidade.
2.1 Aspectos regulatórios referentes a conformidade
da tensão de fornecimento de energia elétrica
A ANEEL, através do Módulo 8 do Prodist,
estabelece os limites adequados, precários e críticos
para os níveis de tensão em regime permanente. Na
Figura 1, tem-se uma representação gráfica dos
limites para a faixa de tensão 220/127 V.
Figura 1. Limites de tensão para a faixa de 220/127 V
Da Figura 1 é possível observar que a faixa
considerada adequada para 127 V varia entre 117 V e
133 V e a correspondente para 220 V varia entre 202
V e 231 V. Para valores fora da faixa considerada
adequada, a concessionária passa a ser monitorada
em tempo de transgressão, tanto para tensão crítica,
quanto para precária.
Além dos limites, no Módulo 8 são definidos os
indicadores individuais e as regras de compensação
dos consumidores atendidos fora da faixa adequada.
Sobre os indicadores individuais, para a tensão
precária é o DRP que é o índice de duração relativa
da transgressão e para a tensão crítica é o DRC, que é
o índice de duração relativa da transgressão para
tensão crítica. Para esses indicadores são definidos os
valores máximos: DRPM e DRCM. Quando DRP ou
DRC superarem DRPM e DRCM, as concessionárias
devem compensar os consumidores ligados nesse
ponto de conexão. A compensação é mantida até a
regularização da não conformidade, ou seja, quando
os indicadores DRP e DRC ficarem inferiores aos
valores máximos.
Os limites das faixas de tensão passaram por
revisão e esses valores estão vigentes desde janeiro
de 2015. Nessa revisão, houve um estreitamento das
faixas de tensão e excluíram-se os prazos para as
concessionárias regularizarem a não conformidade.
Essas alterações exigem que as concessionárias
atuem de forma preventiva para que a tensão de
regime permanente fique dentro dos valores
adequados.
2.2 Análise estatística para determinação de requisitos de regulação da tensão
Em função de características da rede é frequente
ocorrerem setores de distribuição onde a tensão de
fornecimento encontra-se em faixa não adequada
impondo à concessionária débitos referentes à
compensação financeira, prevista na legislação.
Para se determinar o número e o degrau de tensão
de cada derivação dos transformadores foram
analisados 8334 registros de clientes de baixa tensão.
A Figura 2 representa um diagrama esquemático
simplificado de como estão representados os clientes
de baixa tensão, bem como a origem das medições.
Figura 2. Diagrama esquemático representando a origem das
medições
Figura 3. Função densidade de probabilidade acumulada
O período de análise abrangeu de 2007 a 2012. Na
Figura 3 é possível observar que em 40% das
medições a tensão mínima ficou abaixo de 116 V, e
em 20% das medições a tensão máxima ficou acima
de 133 V.
Outra análise, disponível na Figura 4, mostrou
que 0.4% dos consumidores estão em permanente
subtensão, ao passo que 0.3% dos consumidores
estão em permanente sobretensão. A Figura 5
relaciona a tensão medida nos clientes BT com a
medição obtida no secundário do transformador de
distribuição, separado em tensão máxima, média e
mínima. Dessa figura é possível verificar que para
cada variação de 1% na tensão secundária dos
transformadores de distribuição pode-se ter uma
variação de 7% da tensão mínima, 4% da tensão
média e 3% da tensão máxima.
238,0/137,1
229,0/132,0
220,0/126,8
211,0/121,6
X1B, X2B e X3B
X1C, X2C e X3C
X1D, X2D e X3D
X1E, X2E e X3E
TAP B
TAP C
TAP D
TAP E
A tensão nominal é a denominada por TAP D de
forma que existem, 3 derivações para atender condições de subtensão, TAP A, TAP B e TAP C, e uma
derivação para atender condições de sobretensão,
TAP E. Nas derivações entre o TAP B e o TAP E,
inclusive, o degrau de tensão adotado fora de 4% da
tensão nominal. Na derivação TAP A o degrau foi de
2%, aproximadamente. Na Figura 6 tem-se a visualização de dois dos protótipos, 45kVA e 75kVA de
núcleo amorfo, com as designações das derivações
de cada fase de forma consonante com o apresentado
por meio da Tabela 1.
Figura 4. Avaliação do resumo das campanhas de medição
Figura 6. Protótipos de 45 kVA e 75 kVA com núcleo amorfo
3 Métodos
Para se realizar o controle de tensão no lado de
baixa tensão dos transformadores de distribuição
considerou-se o modelo elétrico equivalente do
transformador, representado esquematicamente por
meio da Figura 7.
Figura 5. Tensão no PAC em função da tensão secundária
2.3 Transformadores Pilotos
Tendo como base os resultados das análises estatísticas, optou-se pela construção de 3 transformadores sendo que 2 com potência nominal de 75 kVA e 1
de 45 kVA. Um dos transformadores de 75 kVA fora
construído com núcleo amorfo e os demais com
núcleo de aço silício. As derivações de tensão foram
especificadas em número de 5 com tensões nominais
iguais as apresentadas por meio da Tabela 1
Tabela 1. Características das Derivações dos Transformadores
Tensão nominal
(V)
Designação dos
terminais
Nomenclatura da
derivação
242,0/139,7
X1A, X2A e X3A
TAP A
Figura 7. Modelo equivalente do transformador
Verifica-se que os transformadores são
modelados por meio da resistência e da reatância
equivalente em cada derivação, cujos dados
encontram-se na Tabela 2 e 3.
Tabela 2. Parâmetros do Modelo Elétrico Equivalente
Transformador
Derivação
45 kVA
75 kVA
75 kVA
amorfo
TAP
A
TAP
B
TAP
C
TAP
D
TAP
E
16,9 + j40,2
Ω
18,5 + j42,2
Ω
19,8 + j46,6
Ω
19,3 + j51,6
Ω
19,4 + j57,1
Ω
9,1 + j28,1
Ω
9,6 + j30,8
Ω
10,9 + j38,0
Ω
12,5 + j46,1
Ω
14,1 + j54,1
Ω
10,5 + j29,5
Ω
11,0 + j32,4
Ω
12,3 + j40,3
Ω
13,6 + j49,4
Ω
15,3 + j58,4
Ω
7.
Comutar para o TAP com tensão com menor
desvio da tensão nominal dentro de um intervalo de tempo.
4 Resultados
O ajuste do sistema inteligente para controle de
tensão e o acompanhamento das comutações foram
realizados em laboratório, sendo que na Figura 8
tem-se a visualização da tela de supervisório do
software de calibração desenvolvido. Já na Figura 9
tem-se o acompanhamento das efetivas operações de
comutações realizadas pelo transformador.
Tabela 3. Resultados de ensaios a vazio e em curto circuito
Transformador
Características
45 kVA
75 kVA
75 kV
amorfo
Perdas a vazio
195 W
295 W
75 W
Perdas: curto-circ.
750 W
1100 W
1320 W
Corr.
magnetização
3,2 %
2,7 %
2,7 W
Impedância
3,5 %
3,5 %
3,5 %
Figura 8. Sistema supervisório para calibração
Tendo como base o modelo elétrico do
transformador, o sistema de tomada de decisão é
responsável pela escolha do melhor tap de operação
do transformador. Para o desenvolvimento desse
sistema, utilizou-se de sistemas inteligentes por
considerar as diversas variáveis e grandezas que
estão envolvidas com o processo do controle de
tensão. Decidiu-se pelo Sistema Fuzzy.
Esse sistema faz a estimativa da tensão
considerando as grandezas elétricas medidas e
calculadas (tensão, corrente e componentes de
potência) e as impedâncias do transformador da
Tabela 2.
A seguinte sequência de operações é adotada para
a tomada de decisão sobre a melhor derivação:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Verificar qual TAP está em operação:
o Selecionar seus parâmetros elétricos
(Relação, Rj e Xj);
Cálculos considerando a relação do TAP atual:
o Calcular Vj;
o Calcular Ij
o Calcular Veq considerando a corrente Ij e os parâmetros Rj e Xj;
Supor invariância da corrente:
o Calcular as tensões nos demais
TAP’s no lado de 220 V;
Calcular corrente e tensão no lado de carga de
cada TAP;
Calcular a tensão no ponto de carga para cada
TAP;
Utilizar a tensão no ponto de carga para cada
TAP;
Figura 9. Acompanhamento das comutações dos taps
Com os protótipos confeccionados e as ferramentas de controle ajustadas, os protótipos foram instalados em campo, tal como pode ser observado na Figura 10.
utilizando sistemas inteligentes (lógica fuzzy). Essa
solução de transformador com taps no lado secundário comutados automaticamente por meio de um
sistema de controle de tensão torna possível a regulação da tensão mais próxima aos consumidores.
Agradecimentos
Figura 9. Protótipo instalado em campo
Os resultados dos ensaios em laboratório e em
campo foram satisfatórios, ou seja, essa solução é
capaz de realizar o controle da tensão mais próximo
aos clientes, através das comutações dos taps no lado
secundário do transformador.
5 Discussões
As soluções convencionais para a regulação da
tensão estão na média tensão e podem não ser suficientes para corrigir a tensão em todos os clientes ligados na baixa tensão. A solução desenvolvida torna
possível a regulação da tensão mais próxima aos
consumidores.
Os resultados dos ensaios mostraram que a solução é eficiente para realizar o controle automático da
tensão por meio da comutação automática dos taps
do transformador de distribuição em qualquer ponto
de instalação no lado de baixa tensão, melhorando a
satisfação dos clientes e as expectativas das concessionárias de energia elétrica que são cobradas e penalizadas pelos órgãos reguladores a fornecerem tensão
dentro dos limites adequados.
É uma opção prática para os setores de transformação com não conformidade de tensão, onde os
métodos convencionais não são suficientes para
garantir níveis adequados no lado de baixa tensão.
Basta substituir o transformador atual por essa solução.
5 Conclusão
Nesse artigo foram apresentados os estudos necessários para especificação das derivações na baixa
tensão de transformadores de distribuição. Esses
estudos se basearam na análise estatística da tensão
no secundário de transformadores de distribuição e
na tensão aferida no ponto de acoplamento dos clientes. Essa análise permitiu a especificação do número
e do degrau de cada derivação dos transformadores
que foram construídos. Ainda, foram apresentados o
funcionamento do sistema de controle de tensão e o
método para a escolha do melhor tap de operação,
Esse desenvolvimento faz parte do Projeto de
P&D: Desenvolvimento de Dispositivo Automático
Para Regulação de Tensão no Sistema Elétrico de
Distribuição de Baixa Tensão da ELEKTRO realizado
em
parceria
com
as
entidades
USP/UNESP/RTA/M.Fap. Desenvolvimento Experimental/ Distribuição de energia elétrica;
R$1.316.064,00.
Os agradecimentos são para todos os participantes desse projeto que se dedicaram e contribuíram
para o desenvolvimento dessa solução.
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(PRODIST) - Módulo 8 - Qualidade da
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