ILHAMETNO INTENCIONAL: UMA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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(1)ILHAMETNO INTENCIONAL: UMA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. Kaynan Maresch de Andrade 1 Gustavo Marchesan 2. Resumo: Os avanços de tecnologias relacionadas aos sistemas de proteção, comunicação e automação de sistemas elétricos de distribuição, possibilitam o suprimento de parte da energia através de Gerações Distribuídas (GDs), caso venha a ocorrer uma interrupção no fornecimento de energia elétrica provida pelo sistema interligado . Essa operação é definida como operação ilhada de um sistema de distribuição. Essa nova forma de operação do sistema apresenta impactos positivos relacionados a qualidade de energia e continuidade do fornecimento, porém para seu devido funcionamento é necessária a reestruturação do sistema elétrico de distribuição, bem como o seu modo de operação. O presente trabalho tem o objetivo de mostrar o estado da arte do tema, mostrando os conceitos de smart grid e micro-rede bem como os equipamentos, algoritmos de controle e sistemas de armazenamento de energia que são utilizados para garantir a operação ilhada de forma segura e a qualidade da energia elétrica fornecida.. Palavras-chave: Ilhamento intencional, Smart grid, Microrede. Modalidade de Participação: Pós-Graduação. ILHAMETNO INTENCIONAL: UMA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1 Aluno de pós-graduação. [email protected]. Autor principal 2 Docente. [email protected]. Orientador. Anais do 10º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa | Santana do Livramento, 6 a 8 de novembro de 2018.

(2) ILHAMENTO INTENCIONAL: UMA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1 INTRODUÇÃO Os avanços de tecnologias relacionadas aos sistemas de proteção, comunicação e automação de sistemas elétricos de distribuição, possibilitam em caso de interrupção no fornecimento de energia elétrica, o suprimento das cargas do sistema de distribuição através de Gerações Distribuídas (GDs). Essa operação é definida como operação ilhada de um sistema de distribuição. Os requisitos necessários para a operação de um sistema ilhado formam o conceito conhecido como smart grids, ou seja, redes inteligentes [1]. Smart grids são as estruturas de comunicação e capacidade de operação desassistida em um sistema elétrico de potência, com o objetivo de aumentar a qualidade e continuidade de fornecimento [2]. O Brasil aderiu ao conceito de compensação de energia em 2012, com a resolução normativa 482 [3] da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). O regime de compensação permite que o consumidor gerar energia e fornecer o excedente para a rede de distribuição.. A operação ilhada depende de um modo de operação capaz de suprir a carga em tempo real e de preservar a qualidade da energia elétrica. Para isso é essencial o desenvolvimento de redes inteligentes que será apresenta na próxima seção.. 2 SMART GRIDS A forma como a energia é gerada, distribuída e consumida vem sendo modificada com o uso das GDs, trazendo consigo o desenvolvimento tecnológico nas áreas de comunicação, computação, automação e diminuição no custo de dispositivos eletrônicos. Para o uso da energia de forma eficiente e segura se fazem necessárias mudanças do sistema elétrico, principalmente voltadas para aquisição e tratamento de dados. Além disso, novas maneiras se tratar o consumo e produção de energia, possibilita a criação de sistemas mais eficientes, confiáveis, flexíveis e otimizados, ou seja, a criação de smart grids [5]. Redes inteligentes podem desempenhar novas funções para com a rede elétrica, como por exemplo, o auto monitoramento, que compreende na verificação de dados de equipamentos instalados na rede de distribuição e o consumo individual de cada consumidor. Pode-se citar outras estruturas que compreendem uma smart grid [5] [6] [7]: AMI-Advanced Metering Infrstructure (Infraestruturas Avançadas de Medição), é a estrutura que permite a leitura detalhada, monitoramento em tempo real e comandos da concessionária às instalações dos consumidores; FLISR-Falt Location Isolation and System Restoration (Identificação e isolação de faltas e restauração do sistema), é a capacidade de restauração automática do sistema (self-healing); Reconfiguração automática da rede de maneira preventiva, para redução de perdas e sobrecargas, balanceamento de carga, menor probabilidade de faltas, ente outros benefícios; Estimação de estados utilizando pontos de medição e estimação, de modo a Anais do 10º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa œ Santana do Livramento, 6 a 8 de novembro de 2018.

(3) monitoras a rede em tempo real e prever as consequências de manobras e recursos no momento em que acontecem; VVO-Voltage-Var Optimization (Otimização de tensão e reativos), ocorre controlando banco de capacitores e taps de transformadores para diminuir perdas elétricas e controlar o perfil de tensão da rede; Gerenciamento de GD, para diminuir perdas, sobrecargas e melhorar o perfil de tensão utilizando pontos operativos determinados; Gerenciamento de microredes, supervisionando e controlando a operação ilhada de parte da rede de distribuição alimentada por GD; Controle da demanda, em clientes que se disponham a reduzir a utilização de energia em horário de ponta; Coordenação da proteção, ajustando os dispositivos de proteção para que a rede continue protegida em casos de reconfiguração. 3 MICROREDES (Microgrids) Microrede é caracterizada por um conjunto de cargas e recursos de Geração Distribuída operando como um único sistema controlável, que provê tanto eletricidade quanto calor a uma determinada região [5]. Ou seja, são pequenas porções do sistema elétrico que operam de forma isolada entre si, de forma que cada qual pode ser vista pela concessionária como um único sistema elétrico, onde a geração/carga é tratada com parâmetros de potência da distribuição. As microredes são em geral redes que compreendem uma região geográfica pequena, onde se tem grande potência de geração quando comparada a carga. As gerações são em geral renováveis e estão conectadas a redes de baixa e média tensão. As assim como as microredes possuem alto grau de comunicação, e podem se necessárias operar em modelo ilhado de forma intencional [5] [7]: Nota-se que o aumento da penetração de GD em uma região com as tecnologias de smart grid, permitem o ilhamento intencional de maneira segura e controlada, formando uma microrede [5]. 4 ILHAMENTO INTENCIONAL Para se trabalhar de forma ilhada deve-se analisar risco, ou seja, o antes de se ilhar deve ser feitas as análises para identificar qual dos modos de operação é mais vantajoso [21]. O cálculo do risco é feito a cada amostra de tempo pré-definida, quando o risco da operação não ilhada se torna maior que o risco da operação ilhada, então é calculado o melhor momento para a divisão do sistema [20]. Para essa tomada de decisão são levados em conta principalmente critérios de segurança e qualidade de energia. O ilhamento intencional pode ser vista através de três perspectivas: Do ponto de vista dos equipamentos necessários, dos algoritmos de que iram controlar a parte ilhada do sistema e dos sistemas de armazenamento de energia, assim como apresentada na figura 1. 4.1 EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS Para GD trabalhar de forma ilhada, devem ser atendidos os requisitos de fornecimento de energia. Além disso, para um estado de operação autônoma, as proteções das GDs e do sistema que formam a microrede devem estar prontos para atuar durante faltas internas a GD e externas (ilha formada). As proteções comumente exigidas para a conexão de uma GD ao sistema de distribuição são as funções ANSI 27, 27G, 25, 50, 51, 79, 32, 59, 69G, 81 O/U, 81 R, 27 TN, 87T, 64F, 87F e 87GD [8],[9]. Anais do 10º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa œ Santana do Livramento, 6 a 8 de novembro de 2018.

(4) Para um sistema ilhado, além das proteções mencionadas anteriormente, seriam necessários outros equipamentos, que são categorizados a seguir [6]: x x x. x. Chaves de transferência de paralelismo: componentes de comutação, usados para transferir a GD de uma microrede para a rede de distribuição. Proteções de interconexão: relés que protejam tanto a rede de distribuição quanto a GD durante a desconexão da GD com a rede principal. Controle da GD: módulo de comunicação da GD onde se monitora, mede e calcula a potência produzida, tensão e frequência, enviando os valores para a concessionária. Medição e monitoramento: Monitoramento de parâmetros da GD, como a potência reativa e a ativa, corrente, temperatura do óleo, vibração, entre outros.. Ilhamento intencional. Parte do sistema operando isolada do principal durante faltas de energia e problemas na rede de distribuição.. Equipamentos. Os equipamentos são constituídos de aparelhos de medição e controle, como medidores inteligentes que possam informar a condição de geração/carga da ilha formada e aparelhos de controle como chaves telecomandadas, que consigam realizar a transferência de geração/carga entre as ilhas formadas e o sistema.. Algoritmos de controle. São métodos que monitoram e controlam a ilha, controlando a geração, carga e qualidade de energia.. PSO SOM PID. Sistemas de armazenamento de. Pela ilha formada possuir baixo momento de inércia, são estudados métodos de armazenamento de energia para o fornecimento instantâneo de potência para se garantir a estabilidade da ilha durante transitórios. BASS. Figura 1: Perspectivas do ilhamento intencional 4.2 ALGORITMOS DE CONTROLE As pesquisas atuais relacionadas a métodos de controle da parte ilhada do sistema consistem em abordagens usando diversas técnicas dentre os quais pode se destacar os métodos de Mapa auto-organizável (em inglês, Self Organizing Map, SOM), Exame de Partículas (em inglês, Particle Swarm Optimization PSO), árvores de decisão e mudanças que envolvem a malha de controle da máquina. O método SOM [11] [12] consiste na organização de dados complexos em grupos usando apenas dados de entrada. Essa metodologia é usada para se decidir quais chaves devem ser abertas ou fechadas para que a parte do sistema trabalhe de forma ilhada. O método PSO [13] [14] [15] geralmente é utilizado em conjunto com algum outro método de decisão Anais do 10º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa œ Santana do Livramento, 6 a 8 de novembro de 2018.

(5) (SOM) [22], esse método otimiza as soluções possíveis levando em conta padrões que devem seguidos, no caso, garantia da entrega e qualidade da energia. Uma alternativa ao uso do método SOM, é o uso de árvores de decisão, onde é montada previamente as decisões ótimas a serem tomadas para se ilhar partes estratégicas do sistema [10]. Outros autores exploram a malha de controle da máquina ilhada, em geral a metodologia empregada consiste em mudar os parâmetros do controle Proporcional Integral Derivativo (PID) quando a GD trabalha em estado ilhado, ou seja, a máquina deve possuir dois estados de operação, ilhado e não ilhado [16] [23]. 4.3 SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA Sistemas de armazenamento de energia vêm sendo estudados para a operação ilhada por dois motivos, o primeiro consiste na intermitência das fontes de energias renováveis e pelo fato da ilha formada possuir baixo momento de inércia. O primeiro problema é tratado mais no contexto de smart grids onde se pensam formas de guardar a energia das fontes renováveis VRODU H HyOLFD TXDQGR HOD HVWi ³VREUDQGR´ 2 VHJXQGR SUREOHPD p WUDWDGR FRP D FULDomR GH uma máquina síncrona virtual através dos inversores que conectam as GDs a rede de distribuição, o principal sistema utilizado consiste no armazenado de energia ativa em baterias para a criação da inércia adequada para a manutenção da estabilidade do sistema. O sistema Battery Energy Storage Systems (BASS), consiste no armazenamento de energia em baterias, que são usadas para controlar a potência ativa de saída. Esse método é usado para imitar o comportamento dinâmico de uma máquina síncrona através da criação de uma máquina virtual controlada por inversores [17]. Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos utilizando esse sistema. Em [18] o sistema BASS é aplicado e avaliado em um sistema de baixa inércia, sendo proposto o uso do ROCOF como entrada para o algoritmo, para melhorar a resposta do controle dos inversores que controlam as baterias. Em [19] é proposto o uso do método PSO para se realizar o armazenamento ótimo de energia no sistema BASS. 5.0 CONCLUSÃO Com o aumento da penetração da GD nos sistemas de distribuição em conjunto com o desenvolvimento tecnológico, se faz possível à operação ilhada de partes do sistema. Esse tipo de operação pode ser usado para garantir a continuidade do fornecimento de energia elétrica, quando na ocorrência de um evento danoso, partes do sistema se separam do principal. É necessário o desenvolvimento de metodologias para determinar em que momentos é viável realizar a operação ilhada e como operar o sistema de forma segura. Estes assuntos serão abordados em trabalhos futuros. REFERÊNCIAS [1] M. Brenna, F. Foiadelli, P. Petroni, G. Sapienza and D. Zaninelli, "Distributed generation regulation for intentional islanding in Smart Grids", 2012 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), Washington, DC, 2012, pp. 1-6. [2] Mendonça, Lucas Paulis. Proposta de Sistema de Automação para Ilhamento Intencional de Redes de Distribuição com Geração Distribuída/ Lucas Paulis Mendonça ± Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2014.. Anais do 10º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa œ Santana do Livramento, 6 a 8 de novembro de 2018.

(6) [3] Brasil. ANEEL. Resolução normativa nº482 de 17 de abrir de 2012. Estabelece as condições de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, e dá outras providências. Disponível em:< http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2012482.pdf> .Acesso em: 04.set.2018. [4] Brasil. ANEEL. Resolução normativa nº687 de 24 de novembro de 2015. Altera a Resolução Normativa nº 482, de 17 de abrir de 2012, e os Módulos 1 e 3 dos Procedimentos de Distribuição-PRODIST. Disponível em:< http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2015687.pdf>.Acesso em: 04.set.2018. [5] Arley, Luciano Mauro. Arquitetura física e lógica de uma smart grid para gestão integrada da energia: um modelo para o Parque Tecnológico de Itaipu ±Foz do Iguaçu, 2012. > @ 'MDOPD 0 )DOFmR ³Smart grids e microredes: o futuro já é presente´ 9,,, 6LPSyVLR GH $XWRPDomR GH 6LVWHPDV (OpWULFRV [7] Salman Mohagheghi, Jean-Charles Tournier, James Stoupis, Laurent Guise, Thierry Coste, Claus A. Andersen, Jacob Dall, ³$SSOLFDWLRQV RI ,(& LQ 'LVWULEXWLRQ $XWRPDWLRQ´ IEEE Power Systems Conference and Exposition, 2011. [8] Y. G. Hegazy and A. Y. Chikhani, "Intention islanding of distributed generation for reliability enhancement", CIGRE/IEEE PES International Symposium Quality and Security of Electric Power Delivery Systems, 2003. CIGRE/PES 2003., 2003, pp. 208-213. [9] COPEL. Acesso de geração distribuída ao sistema da COPEL. Norma técnica, 2017. [10] M. A. Salam and S. Sethulakshmi, "Control for grid connected and intentional islanded operation of distributed generation", 2017 Innovations in Power and Advanced Computing Technologies (i-PACT), Vellore, 2017, pp. 1-6. [11] M. K. Sharma, P. Kumar and V. Kumar, "Intentional islanding of microgrid", 2017 6th International Conference on Computer Applications In Electrical Engineering-Recent Advances (CERA), Roorkee, 2017, pp. 247-251. [12] Shi Zhang, Dingwei Wang, Ruiyou Zhang and Tingting Zhao, "Impact study on intentional islanding strategies of distribution networks based on distributed generation", 2010 International Conference On Computer Design and Applications, Qinhuangdao, 2010, pp. V5-251-V5-254. [13] M.H. Oboudi, R. Hooshmand, A. Karamad, ³$ IHDVLEOH PHWKRG IRU FRQWUROOHG LQWHQWLRQDO LVODQGLQJ LQ PLFURJULGV Eased on PSO DOJRULWKP 6ZDUP DQG (YROXWLRQDU\ &RPSXWDWLRQ´, Volume 35, 2017, Pages 14-25, ISSN 2210-6502. [14] Yingjun Wu, Yi Tang, Bei Han, Ming Ni, ³$ WRSRORJ\ DQDO\VLV DQG JHQHWLF DOJRULWKP FRPELQHG DSSURDFK IRU SRZHU QHWZRUN LQWHQWLRQDO LVODQGLQJ´ International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 71, 2015, Pages 174-183, ISSN 0142-0615. [15] Thongchart Kerdphol, Kiyotaka Fuji, Yasunori Mitani, Masayuki Watanabe, Yaser Qudaih, ³2SWLPL]DWLRQ RI D EDWWHU\ HQHUJ\ storage system using particle swarm optimization for stand-alone microgrids, International Journal of Electrical Power & Energy 6\VWHPV´, Volume 81, 2016, Pages 32-39, ISSN 0142-0615. [16] R. J. Vijayan, S. Ch and R. Roy, "Dynamic modeling of microgrid for grid connected and intentional islanding operation", 2012 International Conference on Advances in Power Conversion and Energy Technologies (APCET), Mylavaram, Andhra Pradesh, 2012, pp. 16. [17] Maninder Singh, Luiz A.C. Lopes, Nayeem A. Ninad, ³*ULG IRUPLQJ %DWWHU\ (QHUJ\ 6WRUDJe System (BESS) for a highly unbalanced hybrid mini-grid´ (OHFWULF 3RZHU 6\VWHPV 5HVHDUFK 9ROXPH 3DJHV -133. [18] L. Toma et al., "On the virtual inertia provision by BESS in low inertia power systems", 2018 IEEE International Energy Conference (ENERGYCON), Limassol, 2018, pp. 1-6. [19] Thongchart Kerdphol, Kiyotaka Fuji, Yasunori Mitani, Masayuki Watanabe, Yaser Qudaih, ³2SWLPL]DWLRQ RI D EDWWHU\ HQHUJ\ storage system using particle swarm optimization for stand-alone microgrids´ ,QWHUQDWLRnal Journal of Electrical Power & Energy 6\VWHPV´ 9ROXPH 3DJHV -39, ISSN 0142-0615. [20] P. Fernández-Porras, M. Panteli and J. Quirós-Tortós, "Intentional controlled islanding: when to island for power system blackout prevention," in IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 12, no. 14, pp. 3542-3549, 14 8 2018. [21] Quirós-Tortós, J., Sánchez-García, R., Brodzki, J., et al.: µ&RQVWUDLQHG VSHFWUDO clustering-based methodology for intentional controlled islanding of largescale power sysWHPV¶, IET Gener. Transm. Distrib., 2015, 9, (1), pp. 1±12. [22] D. N. Trakas, E. M. Voumvoulakis and N. D. Hatziargyriou, "Controlled islanding of power networks using machine learning algorithm," MedPower 2014, Athens, 2014, pp. 1-6. [23] X. Feng, "Dynamic balancing for low inertia power systems," 2013 IEEE Power & Energy Society General Meeting, Vancouver, BC, 2013, pp. 1-5.. Anais do 10º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa œ Santana do Livramento, 6 a 8 de novembro de 2018.

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