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Tutorial sobre Anarede, de propriedade do CEPEL. Ótimo para alunos de graduação.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Não perca as partes importantes!
Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Elétrica – DAELE – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Câmpus Pato Branco, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Jonatas Policarpo Américo Coorientador: Géremi Gilson Dranka
Dedico este trabalho de conclusão de curso a minha mãe, Ana Paula, que me deu os melhores conselhos; A minhas irmãs, Fernanda e Carolina, que me apoiaram ao longo da minha jornada; E a minha avó, Ignez, que me motivou a seguir em frente. Amo vocês.
Agradeço a Deus; Ao meu orientador, Jonatas; Ao meu coorientador, Géremi; A minha namorada, Gabriela; Aos professores da banca, Ana e César; Aos meus amigos e professores. Muito Obrigado.
SILVA, Leonardo. Desenvolvimento de um tutorial para o programa ANAREDE com base em configurações típicas de sistemas elétricos de potência. 2016. 144 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2016.
Este trabalho apresenta desenvolvimento teórico, desenvolvimento analítico e simulação de casos típicos de sistema elétrico de potência para as análises de fluxo de potência, utilizando os métodos Newton-Raphson, desacoplado rápido e modelo linear e análise de contingência. Utilizando como base casos típicos de sistema elétrico de potência, foi desenvolvido um tutorial básico do programa ANAREDE, para auxiliar os usuários iniciantes do programa. O tutorial foi focado para inserção de componentes de um sistema elétrico de potência e as análises executada pelo programa.
Palavras-chave : ANAREDE, Fluxo de Potência, Simulação, Sistema Elétrico de Potência, Tutorial.
SILVA, Leonardo. Development of a tutorial for ANAREDE software based on power system tipical cases. 2016. 144 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco,
This paper shows the theorical development, analytical development and simulations of tipical cases of power system analisys, using power flow analysis using Newton- Raphson, fast decouple and linear model analysis. Using those typical cases of power system, was developed a basic tutorial to ANAREDE software to help new users. The tutorial was focused on insertion of power system components and some analysis made by the program.
Palavras-chave : ANAREDE, Analysis, Power Flow, Power System, Simulation, Tutorial.
SEP Sistema elétrico de potência CA Corrente alternada CEPEL Centro de pesquisa de energia elétrica ANAREDE Análise de redes ANAFAS Análise de faltas simultâneas ANATEM Análise de temporários eletromagnéticos LT Linha de transmissão p.u. Por unidade LCK Lei das correntes de kirchhoff LTK Lei das tensões de kirchhoff i, j Barras do sistema c Constante MVA Mega Volt-Ampera MW Mega Watt Mvar Mega Volt-Ampere reativo
15 Em 1917 nos Estados Unidos da América os sistemas elétricos ainda funcionavam como unidades individuais, ou seja, não havia uma interligação de sistemas elétricos. Porém com a inserção de grandes cargas e a necessidade de maior confiabilidade na continuidade de fornecimento de energia elétrica conduziram a interligações a sistemas vizinhos. Um dos motivos que torna a interligação vantajosa é a redução na quantidade de máquinas em reserva de operação, o que supre a demanda em picos de carga. Tal economia é proveniente da possibilidade de trabalho em conjunto para suprir a demanda de todo o sistema, já que tais necessidades são intermitentes. Porém tais interligações trouxeram novos problemas como o aumento do nível de corrente de curto-circuito no sistema, a necessidade de sincronizar as frequências dos sistemas, a manutenção da fase entre todos os geradores e havendo uma falha isolada em um dos sistemas poderá afetar diretamente todos os sistemas interligados (STEVENSON, 1986, p. 2). A energia elétrica chegou ao Brasil no final do século XIX, implementada pelo imperador Dom Pedro II para substituir o querosene e o gás utilizado na iluminação pública. Devido a uma crise no suprimento energético nos estados do Rio de Janeiro e São Paulo, em 1957 foi criada a empresa federal Central Elétrica de Furnas, tendo entrado em funcionamento em 1963 (CUNHA, 2010). De 1967 a 1990 houve um período de transição, no qual foram criadas comissões e departamentos ligados ao Ministério de Minas e Energia (MME), os quais tinham como propósito planejar e coordenar o setor. O início dos anos 2000 marca o estabelecimento dos valores normativos, trazendo as condições para distribuidores e geradores estabelecerem contratos de longo prazo. E para tentar evitar as interrupções intempestivas no suprimento de energia elétrica no Brasil o governo adotou medidas emergenciais como a criação da Câmara de Gestão da Crise de Energia (CGCE), em 2001 (GASTALDO, 2009), (CUNHA, 2010). Um dos órgãos responsáveis por desenvolver soluções tecnológicas para o SEP brasileiro é o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL), criado em 1974 sendo vinculado a Eletrobrás.
O Cepel exerce a Secretaria Executiva de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (P&D+I) e Tecnologia da Comissão de Política Tecnológica das empresas Eletrobras. É o executor central de suas linhas de pesquisa, programas e projetos, e provê consultoria e assessoramento na avaliação de resultados, na gestão do conhecimento tecnológico e sua aplicação. (CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA, 2015)
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Contando com um quadro de profissionais altamente qualificado e unidades multidisciplinares, o CEPEL é responsável por diversos laboratórios de teste e desenvolvimento de programas para análise de sistemas elétricos de potência como o Análise de Redes (ANAREDE), Análise de Faltas Simultâneas (ANAFAS) e o Análise de Transitórios Eletromecânicos (ANATEM) (CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA, 2015). O ANAREDE, é um sistema integrado para análise de regime permanente de sistemas elétricos de potência podendo ser utilizado tanto para estudos em tempo real quanto para ambientes de planejamento (simulações de operação), sendo composto por dez programas computacionais que abrangem vários tipos de análise (fluxo de potência, análise de contingência N-1, análise de sensibilidade de tensão e de fluxo de potência, segurança de tensão, entre outros). Possui ainda ferramentas de pós processamento de análise como o PlotCepel, que formula curvas de estudo de segurança de tensão e curvas de geração reativa das máquinas, e o FormCepel, o qual permite a geração e edição de tabelas personalizáveis (OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO, 2009, p. 6). Devido ao ANAREDE ser o programa de análise de redes utilizado por importantes empresas que compõem o sistema elétrico brasileiro, torna-se fundamental a inserção desta ferramenta durante a graduação de um engenheiro eletricista com formação em território brasileiro e tendo como objetivo auxilia-los no início de sua jornada ao utilização do programa. No presente trabalho será desenvolvido um tutorial simplificado do programa ANAREDE, para auxiliar no primeiro contato com o mesmo, para análise do fluxo de potência, análise de contingências e análise da sensibilidade de tensão priorizando a montagem gráfica do circuito, de modo que seja de fácil entendimento, que mitigue parte das dúvidas, e que possua uma leitura agradável e completa. Como base, serão utilizados modelos de exercícios propostos nas disciplinas de análise de sistemas elétricos de potência 1 do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Câmpus Pato Branco e configurações típicas de sistemas elétricos de potência. Os estudos de caso 1 e 2 foram resolvidos analiticamente, simulados e analisados pelos métodos similares ao de resolução do ANAREDE, já o estudo de caso 3 somente foi simulado. Os resultados analíticos foram comparados com os
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2 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
A análise de fluxo de potência consiste essencialmente, segundo Monticelli (1983, p. 1), “na determinação do estado da rede, da distribuição dos fluxos e de outras grandezas de interesse” de um Sistema Elétrico de Potência (SEP). Entretanto, para tal análise ser consistente, considera-se um sistema trifásico equilibrado, e que as variações com o tempo são suficientemente lentas podendo assim serem desprezadas, possibilitando ao SEP ser modelado através de equações e inequações algébricas. O resultado da resolução do sistema de equações e inequações é a obtenção dos fluxos de potências ativa e reativa e as perdas nos componentes. Tais sistemas são usualmente solucionados com auxílio de métodos computacionais como simuladores de SEP ou programas matemáticos (GLOVER; SARMA; OVERBYE, 2010, p. 325).
2.1.1 Modelo da Rede
Para Monticelli (1983), os elementos que compõem o SEP podem ser separados em duas classes, sendo elas: Dispositivos classe 1 (componentes externos): são elementos conectados a uma barra qualquer e a terra, ilustrado na Figura 2(a). Usualmente são geradores, cargas, motores, impedâncias shunt , entre outros. Dispositivos classe 2 (componentes internos): são elementos conectados entre duas barras, ilustrado na Figura 2 (b). Como exemplo tem-se linha de transmissão, transformadores, defasadores, entre outros.
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Terra
Barra 1
Gerador Barra 2
Transformador
Disposistivo Classe 1
Disposistivo Classe 2
Figura 2 - Classes de equipamentos que compõe o SEP. Fonte: Autoria própria
2.1.2 Formulação básica do problema de fluxo de potência
As equações a serem utilizadas são provenientes das leis de Kirchhoff. Segundo Sadiku (2003, p. 46) “a primeira lei de Kirchhoff é baseada na conservação de carga, a qual prova que “a soma algébrica das cargas em um sistema não pode variar”, ou seja, a potência inserida no sistema é igual a soma das potências de todos os elementos do SEP. A segunda lei de Kirchhoff é baseada no princípio da conservação de energia e, segundo Monticelli (1983, p. 1), “é utilizada para expressar o fluxo de potência nos componentes internos do SEP” como função das tensões de seus nós. A formulação do problema de fluxo de potência é feita através de equações e inequações algébricas para definir o estado operativo do SEP, o qual dependente de quatro variáveis associadas a barras do SEP, sendo elas: Vk - Módulo da tensão da barra k;
Pk - Potência ativa (gerada ou consumida) na barra k; Qk - Potência reativa (gerada ou consumida) na barra k. Dada uma barra que compõe o SEP, duas variáveis são constantes e duas são incógnitas, as quais deverão ser determinadas de modo a satisfazer o sistema. Há alguns tipos padrões de barras, sendo as mais comuns:
