Metodologia para Operação Automática de Chaves Telecomandadas no Restabelecimento de
Energia
Daniel P. Bernardon, Paulo André S. da Silva e Wagner de Melo Reck
UNIPAMPA – Universidade Federal do Pampa – Centro de tecnologia de Alegrete
Resumo – Este artigo apresenta uma metodologia para o restabelecimento automático de energia elétrica em situações de
contingência. A metodologia se baseia na construção se um software, que, através de algoritmos de tomada de decisões multicriterial, define uma solução confiável e ágil para a solução do
problema proposto. Além da escolha da melhor solução para o
problema, o software será capaz de operar automaticamente no
restabelecimento da energia através do gerenciamento de equipamentos telecomandados. A aplicação deste trabalho no cotidiano das concessionárias, tem como objetivo melhorar a qualidade no fornecimento de energia e auxiliar na melhoria dos
índices de continuidade.
Palavras-chave – Automação, chaves telecomandadas, redes
de distribuição, restabelecimento de energia.
I. INTRODUÇÃO
A melhoria nos índices de continuidade de energia elétrica
para os consumidores é um objetivo de grande importância
para as concessionárias de energia. Porém, a maioria dos
sistemas de distribuição está vulnerável a situações de contingência, provocadas, por exemplo, por intempéries climáticas ou eletromagnéticas. As contingências, muitas vezes,
interrompem o fornecimento de energia por longos períodos
de tempo, prejudicando a qualidade do fornecimento da energia elétrica aos consumidores.
Os índices de continuidade, regulamentados pela Agência
Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), refletem a qualidade
do fornecimento de energia da concessionária, e são caracterizados por dois aspectos distintos: duração e freqüência de
interrupção de energia. Para as concessionárias, os índices
DEC (duração equivalente por unidade consumidora) e FEC
(frequencia equivalente por unidade consumidora) são fiscalizados sob pena de multa se não atingidos os parâmetros
exigidos pela ANEEL.
O índice de duração de interrupção (DEC) pode ser
significativamente reduzido quando é aplicada uma metodologia capaz de definir uma solução rápida e confiável na
escolha da melhor alternativa para o restabelecimento da
energia em situações de contingência.
A melhoria dos índices de continuidade encontra viabilidade quando considerado o emprego de sistemas computaEste trabalho conta com o apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do
Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS).
D. P. Bernardon, P. A. S. Silva, W. M. Reck (e-mails: [email protected], [email protected], [email protected]).
cionais capazes de modelar problemas matemáticos complexos e tecnologias de comando a distância, melhorando a
confiabilidade na tomada de decisões e contribuindo diretamente na diminuição do tempo de duração da descontinuidade.
Assim o objetivo principal deste trabalho é desenvolver
um software para operação, monitoração e controle automático de redes de distribuição através da utilização de equipamentos telecomandados, tendo como finalidade fornecer
respostas confiáveis e ágeis para a solução do problema de
restabelecimento de energia em situações de contingência.
A originalidade deste trabalho encontra-se no tratamento combinado das informações provenientes dos equipamentos em campo e das simulações (on-line ou off-line) para
verificar a viabilidade das transferências de carga em situações de contingência, gerenciando as ações através de equipamentos telecomandados de forma automática.
II. DEFINIÇÃO DO PROBLEMA DE RESTABELECIMENTO
Quando se define o problema de restabelecimento de energia em um sistema de distribuição, considera-se que o
defeito ocorre em situações de contingência, assim a decisão
a ser tomada deverá ser rápida e priorizar o restabelecimento
de energia para o maior número possível de consumidores.
De uma maneira geral, quando ocorre um defeito, as
seguintes ações devem ser tomadas: identificar o local onde
o defeito ocorreu; isolar a menor parte possível do sistema
através da abertura de chaves; manobrar as chaves para restabelecer o suprimento para os consumidores a jusante do
bloco isolado; corrigir o problema; realizar novas manobras
de chaves para retornar ao estado normal das redes. [1].
Assim o restabelecimento da energia em redes de distribuição consiste em buscar um estado de operação o qual forneça a melhor configuração possível para o sistema afetado
pela descontinuidade, isolando o defeito e transferindo cargas, de modo a atender às funções objetivo, definidas previamente, sem violar as restrições de funcionamento do sistema.
No cotidiano de algumas companhias de distribuição, o
restabelecimento da energia é realizado com base em regras
empíricas e procedimentos pré-estabelecidos [2], tornando a
operação lenta e, em alguns casos, pouco confiável.
Neste contexto, o desenvolvimento de uma metodologia
que define soluções confiáveis e ágeis, ganha um grande
propósito na melhoria da qualidade da energia fornecida
pela concessionária.
III. SOLUÇÃO PROPOSTA
Com a evolução da tecnologia dos equipamentos de
distribuição e a aplicação de ferramentas computacionais
nos problemas deste tipo, é cada vez mais comum o emprego
de sistemas automatizados para o gerenciamento das redes
de distribuição. Neste trabalho busca-se a melhoria na tomada de decisões para a reconfiguração de uma rede de distribuição afetada por uma descontinuidade. Para isso é proposta uma metodologia baseada no desenvolvimento de ferramentas computacionais para controle, monitoração e operação de equipamentos de distribuição telecomandados, permitindo automatizar o controle destes equipamentos alocados
em uma região piloto da concessionária.
A idéia inicial deste trabalho é a construção de um algoritmo de tomada de decisão muiticriterial, que após isolar o
defeito, define a melhor configuração de operação da rede,
priorizando o atendimento do maior número de consumidores possíveis, melhorando a confiabilidade do sistema e minimizando as perdas de energia elétrica.
A solução para o problema de restabelecimento consiste
nas seguintes etapas [1]:
•
•
•
•
Formular a composição estrutural das funções
objetivo e das restrições;
Desenvolver uma metodologia para isolar a menor parte possível do sistema com defeito, através da abertura de chaves;
Criar um algoritmo de otimização e de análise
multicriterial, para definir quais chaves a jusante
do bloco isolado são manobradas, a fim de restabelecer o suprimento;
Implementar as metodologias propostas.
A. Funções objetivos e restrições
Foram definidas as seguintes funções objetivo e restrições, para a configuração ótima dos sistemas de distribuição
em situações de contingência:
Funções Objetivo
- Restaurar a energia para a quantidade máxima de consumidores;
- Realizar o número mínimo necessário de operações de
comutação para transferências de carga;
- Priorizar por tipo de equipamento a ser manobrado;
- Escolher a opção que resultar em menores perdas de potência elétrica nos alimentadores.
Restrições
- Violação dos ajustes dos dispositivos de proteção;
- Sobrecarga nos elementos pertencentes às redes elétricas;
- Violação da queda de tensão admissível nas redes primárias.
O critério qualitativo (tipo de equipamento a ser manobrado) pode ser considerado através do uso de Estimativa de
Especialistas [3].
B. Metodologia para isolar a parte da rede com defeito.
Através das informações fornecidas pelos equipamentos
em campo, sabe-se qual a área afeta pela descontinuidade, a
partir deste ponto, deve-se determinar uma configuração
para rede a qual restrinja ao mínimo a área desenergizada
afetada pelo defeito.
A metodologia proposta para isolar o defeito utiliza a estrutura dos conjuntos de ramos. Assim o algoritmo, após
identificar a área com defeito, percorrerá o conjunto de ramos e identificará quais chaves NF devem ser alteradas.
Dada a área com defeito o primeiro passo é abrir a primeira chave NF a montante do trecho com defeito.
Após deve-se identificar as primeiras chaves NF a jusante
do defeito e altera-las para o estado de NA. Para isso, percorre-se o conjunto de ramos em direção da fonte, iniciando
no trecho final do alimentador e encerrando na chave NA a
montante do defeito. Neste percurso quando encontrada uma
chave NF a mesma é alterada para NA. Caso seja encontrada
outra chave NF neste percurso, também se altera para NA,
porém a chave que anteriormente alterou seu estado retorna
para NF.
Realiza-se o mesmo procedimento para os demais trechos
finais dos alimentadores, porém se no caminho percorrido
for identificado que alguma chave já alterou seu estado, encerra-se o percurso mantendo o estado das chaves inalterado
para este caminho.
Quando concluído este processo, serão abertas apenas as
chaves que isolam o defeito restringindo ao mínimo a área
desenergizada.
C. Algoritmo de otimização e análise de multicriterial
Para o processo de tomadas de decisão multicriteriais escolheu-se o algoritmo de Bellman e Zadeh, que se mostrou
eficiente para a solução desses problemas, além de permitir
não apenas a análise de critérios quantitativos, mas também
qualitativos. A proposta é definir a seqüência de alterações
das redes de distribuição, em função dos resultados obtidos
da análise individual de cada interligação. Desse modo, o
algoritmo será aplicado nas interligações, seguindo a ordem
dos melhores resultados, porém sem retornar à configuração
original.
Com essa abordagem, inicialmente alteram-se todas as
funções objetivo pelas funções objetivo fuzzy, apresentadas
na forma de conjuntos fuzzy. As funções de pertinência podem ser construídas a partir de (1) e (2):
F j ( x)
µ A j ( x) =
(1)
máx F j ( x)
x∈Dx
, para funções objetivo que devem ser maximizadas.
mín F j ( x)
µ A j ( x) =
x∈Dx
F j ( x)
(2)
, para funções objetivo que devem ser minimizadas.
De acordo com o método de Bellman e Zadeh, considerase como solução ótima à que apresenta o valor máximo da
intersecção das funções de pertinência (3).
máx µ D ( x) = máx mín µ A j ( x)
x∈Dx
x∈Dx j =1,...n
(3)
utilizadas de forma manual pela concessionária, a metodologia proposta automatizará o processo, fornecendo uma maior
confiabilidade e agilidade na tomada de decisões.
Na figura 2 é mostrado uma chave telecomandada instalada em um ponto da rede de distribuição da concessionária.
Essa abordagem pode ser ilustrada através do exemplo apresentado na figura 1.
Figura 1. Interseção das funções de pertinência e definição da área de soluções.
Esta metodologia fornecerá as respostas que definiram a
melhor alternativa para o restabelecimento de energia, priorizando as funções objetivo previamente definidas.
D. Implementação da metodologia proposta
A metodologia apresenta neste artigo será implementada
na construção de um software que se adequará às características e necessidades da concessionária, contribuindo na melhoria do gerenciamento das redes de distribuição. O software proposto irá automatizar o processo que hoje é feito de
forma manual pelo operador do sistema, assim as chaves
telecomandadas existentes nas redes de distribuição da concessionária serão operadas automaticamente através de um
software, de acordo com a metodologia apresentada.
IV. CONSTRUÇÃO PRÁTICA
O sistema desenvolvido deverá realizar o gerenciamento
dos equipamentos telecomandados de forma automática e
ágil. Assim o restabelecimento de energia será realizado
conforme descrito a seguir.
Quando ocorrer um defeito na rede de distribuição, equipamentos instalados em campo informaram ao sistema o
local onde ocorreu o defeito. A partir deste ponto o algoritmo para isolar o defeito deverá fornecer a melhor solução
para o problema.
Depois de isolado o defeito, o software deverá realizar a
transferência de cargas para restabelecer a energia para o
número máximo de consumidores.
A transferência de carga é viabilizada através do calculo
de fluxo de potência, fornecendo a confiabilidade necessária
para o restabelecimento da energia.
A melhor solução para o restabelecimento da energia será
aquela que atender as funções objetivo sem violar as restrições.
Após definir a melhor solução, o sistema deverá operar
automaticamente na transferência de cargas alterando o estado das chaves telecomandadas.
As chaves telecomandadas já estarão instaladas e sendo
Figura 2: Chave telecomandada instalada na rede de distribuição
V. CONCLUSÕES
A aplicação da metodologia descrita neste artigo ajudará a
concessionária no desenvolvimento de estratégias otimizadas
de controle para operação do sistema, fornecendo apoio técnico-científico e agilidade nas tomadas de decisões, além de
reduzir o tempo de restabelecimento de energia elétrica,
agilizar a tomada de decisões e, consequentemente, melhorar
os índices de continuidade.
Economicamente, as empresas de distribuição ganharam
tanto na melhoria dos índices de continuidade, o que representa menos multas ao longo do ano, e evitaram dispendiosos deslocamentos de equipes. Com esta proposta, a melhoria da qualidade da energia é benéfica para as concessionárias, que prevê um retorno financeiro de médio prazo, e para
os consumidores, com uma maior confiabilidade fornecimento de energia.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
D. P. Bernardon, “Novos métodos para reconfiguração das redes de
distribuição a partir de algoritmos de tomadas de decisão multicriteriais” Tese de Doutorado, Centro de Tecnologia, Univ. Federal de Santa Maria, 2007.
[2]
V. J. Garcia, “Metaheurísticas multiobjetivo para o problema de
restauração do serviço em redes de distribuição de energia elétrica”,
Tese de Doutorado, Dept. de Engenharia de Sistemas, Univ. Estadual
de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação,
2005.
[3]
J. S. Wu, T. S. Lee, Y. M. Tzeng e C. S. Chen, “Enhancement of an
Object-Oriented Expert System for Contingency Load Transfer of
Distribution System,” Electric Power Systems Research, N° 42,
1997, pp. 87-94.