13º Congresso de Inovação, Ciência e Tecnologia do IFSP - 2022
REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES NO CONTEXTO DAS SMART CITIES
F.S VILANOVA1, L.S. VILANOVA2, S. SHIMURA3,
- Pós-Graduando em Indústria 4.0, IFSP, Câmpus Sorocaba, [email protected]
- Graduando em Engenharia Elétrica, UNISO, Campus Cidade Universitária, [email protected]
- Docente no Curso de Pós-Graduação em Indústria 4.0, IFSP, Câmpus Sorocaba, [email protected]
Área de conhecimento (Tabela CNPq): 3.04.04.04-5 Medição, Controle, Correção e Proteção de Sistemas Elétricos de Potência
RESUMO: As smart cities são cidades altamente dependentes dos sistemas elétricos. Os sistemas elétricos estão sujeitos a eventos que podem gerar falhas severas em redes de distribuição de energia. Essas falhas causam transtornos, perdas materiais e econômicas, e é neste cenário que surge o termo transitório em rede, empregado por especialistas como método para definir as variações repentinas que ocorrem nos ambientes operacionais de um sistema de distribuição elétrico. Neste contexto, as concessionárias de energia dependem dos avanços tecnológicos para proporcionar a melhoria da eficiência operacional de seus serviços prestados, atendendo assim a crescente demanda energética das smarts cities no Brasil. Assim sendo, o objetivo deste trabalho é apresentar os benefícios da implementação dos sistemas self healing como método de detecção e autocorreção de falhas em sistemas de distribuição de energia. O conceito de self healing promete inovar o sistema de distribuição elétrica no Brasil e no mundo, pois é composto por uma série de acervos tecnológicos e de automação que concedem segurança, eficiência, comodidade e sustentabilidade no fornecimento de energia que serão fundamentais para o desenvolvimento das cidades inteligentes, permitindo assim que eventuais quedas elétricas sejam corrigidas sem que haja a interrupção do fornecimento de energia aos consumidores finais.
PALAVRAS-CHAVE: transitórios; redes elétricas; self healing; cidades inteligentes; distribuição de energia.
SMART ELECTRICAL GRIDS IN THE CONTEXT OF SMART CITIES
ABSTRACT: Smart cities are cities highly dependent on electrical systems. Electrical systems are subject to events that can generate severe failures in power distribution networks. These failures cause disruption, material and economic losses, and it is in this scenario that the term network transient arises, employed by experts as a method to define the sudden variations that occur in the operating environments of an electrical distribution system. In this context, power utilities depend on technological advances to provide improved operational efficiency of their services, thus meeting the growing energy demand of smart cities in Brazil. Therefore, the objective of this paper is to present the benefits of implementing self healing systems as a method of detection and self-correction of failures in power distribution systems. The concept of self healing promises to innovate the electrical distribution system in Brazil and worldwide, because it consists of a series of technological and automation assets that provide security, efficiency, convenience and sustainability in energy supply that will be fundamental to the development of smart cities, allowing eventual power outages to be corrected without interrupting the power supply to end consumers.
KEYWORDS: transients; electrical networks; self healing; smart cities; energy distribution.
INTRODUÇÃO
Os sistemas elétricos são projetados para suportarem variações extremas durante situações transitórias que possam levar a interrupção do fornecimento de energia, como por exemplo: sobretensões, sobrecorrentes, formas de onda anormais ou transitórios eletromecânicos.
A análise de transitórios demandam o estudo aprofundado das condições operativas dos sistemas elétricos, no qual o principal objetivo é investigar os fenômenos transitórios que possam causar distúrbios de grande magnitude que afetem a condição de equilíbrio das redes de distribuição e que causem interrupção do fornecimento de energia nas linhas de transmissão, gerando prejuízos materiais e econômicos.
Neste contexto surge o sistema “self healing”, que em tradução livre significa “autocura”, e que possibilita a restauração do sistema de fornecimento de energia em até 60 segundos. É importante ressaltar que o self healing faz parte de um conjunto de ferramentas que compõe o conceito de “Smart Grids” ou em tradução livre “Redes Inteligentes”, que possibilitam o desenvolvimento de novos modelos de consumo de energia voltados as “smart cities” através de projetos que incrementam a automação e a modernização das redes de distribuição.
Segundo dados do site da concessionária NEOENERGIA (2021), o sistema self healing está operante em 472 municípios em sua área de concessão, e possibilitou um aumento significativo na confiabilidade dos sistemas elétricos de suas distribuidoras, resultando em um DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Consumidor) de 0,5h em março de 2021 e registrando redução de -12% quando comparado ao mesmo período do ano de 2022.
MATERIAL E MÉTODOS
Foram utilizados materiais de referência como literaturas, artigos científicos, revistas cientificas, sites especializados, manuais e catálogos que possibilitaram a coleta e a análise de dados para validação da hipótese sobre a importância do tema self healing quando aplicado no monitoramento e na resolução de problemas de efeitos transitórios em redes de distribuição de energia que resultem na queda dos sistemas de distribuição das redes elétricas, bem como para os conceitos e aplicações referentes as smart cities.
No artigo constam dados retirados do site da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), sobre a produção e consumo da energia elétrica no Brasil, e também foram considerados neste trabalho dados retirados do Ranking Connected Smart Cities, que apresenta em termos gerais ou por setor, região, estado e porte as cem cidades mais conectadas do Brasil. Esta iniciativa da Urban Systems e Necta avalia as informações entre as cidades, para determinar as melhores cidades posicionadas no quesito conectividade para cada indicador.
Abaixo segue a lista das dez primeiras cidades inteligentes em termos gerais:
FIGURA 1. Resultado do Ranking Connected Smart Cities.
O presente artigo utilizará como enfoque a cidade de São Paulo, pois em termos gerais é a mais desenvolvida no tema smart city e a de maior relevância para os setores econômicos, sociais e culturais do Brasil por se tratar de uma capital mundial.
O método utilizado para autocorreção e detecção de falhas baseia-se no conceito de Self Healing. Este conceito é fundamentado no isolamento de um problema, bem como a minimização do número de pessoas afetadas até o reestabelicimento da energia. O sistema possui diversas vertentes de desenvolvimento como o grafcet (representação gráfica do comportamento da parte de comando de um sistema outmatizado), aplicação lógica em linguagem Ladder (representação gráfica para desenvolvimento de programas para Controladores Lógico Programáveis), inteligencia artificial, algoritmos genéticos e aplicação de lógica Fuzzy (lógica difusa que modela modos de raciocínio aproximados).
A partir deste sistema, cuja integração de variantes lógicas é aplicada, é possível a prática do restabelecimento de transmissão de energia de maneira eficiente e eficaz. De acordo com o Jeferson Pramio (2014), o sistema self healing permite a correção do problema em tempo inferior a três minutos, prazo estabelecido no módulo 8 do PRODIST, para correção da ocorrência nos cálculos de índices de qualidade.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os efeitos transitórios em redes são os principais responsáveis pelos distúrbios que ocasionam a queda dos sistemas de energia gerando impactos sociais e econômicos negativos. Deste modo, o self healing se mostra uma importante ferramenta no auxílio as concessionárias de energia, pois através desta ferramenta é possível minimizar os impactos causados por interrupções abruptas no sistema de fornecimento de energia elétrica.
Assim sendo, as concessionarias utilizam esse sistema de modo a maximizar as condições operativas nas redes de distribuição, tornando o sistema de distribuição de energia elétrica mais robusto, rápido e seguro.
O self healing é capaz de identificar e recuperar a rede de eventos transitórios manobrando a rede para que o menor número possível de clientes seja afetado pela interrupção de energia. Deste modo, são empregados sensores de monitoramento, de telecomando e de automação que vão desde a geração de energia até a entrega ao consumidor final (GELLINGS, 2009).
Ao detectarem padrões anormais na rede, desencadeados por comportamentos diferentes de religadores e chaves, os sensores emitem sinais para que o sistema identifique o trecho defeituoso, isolando a rede onde o evento transitório está ocorrendo e, manobrando o sistema de distribuição de energia para uma fonte ativa (OHARA, 2009).
Para isso, quando o trecho defeituoso estiver localizado após um religador de energia, ele irá abrir e assim isolará o trecho. Caso o transitório de rede ocorra após uma chave, o agente irá detectar a sobrecorrente e repassar a informação para o agente que está acoplado a esta chave, essa operação se faz necessária para que o disjuntor do alimentador possa efetuar as operações de modo a permanecer desligado, comandando a abertura da chave e repassando a informação para os demais agentes do sistema.
Deste modo, cada agente do sistema envia aos demais informações sobre a ocorrência. Logo, os agentes adjacentes ao receberem as informações podem tomar a decisão de fechar o religador ou chave sob carga, restabelecendo assim a tensão no trecho.
Vale ressaltar que a decisão de fechar a chave e/ou religador deverá obedecer a seguintes regras:
- A falta de energia não pode estar no trecho recomposto;
- O trecho a ser recomposto deverá ser transferido para outro alimentador, porém é necessário garantir que este não fique sobrecarregado. Além disso, antes da transferência é imprescindível que haja a verificação da carga, e caso a recomposição esteja sobrecarregando o alimentador, é necessário que exista uma alternativa para execução da recomposição, assim o sistema irá fechar a chave conectada ao alimentador alternativo.
A definição sobre a melhor opção para as transferências das cargas, após a ocorrência dos transitórios, se baseia na utilização dos equipamentos de telecomandados, e se dá em funções e restrições previamente definidas pelas concessionárias, em geral elas são definidas se valendo das seguintes análises de transferência de carga:
- A manobra deve restabelecer a energia para o maior número de consumidores;
- Deve ser considerado um número mínimo necessário de operações de comutação para as transferências de carga;
- A manobra deve manter a operação radial dos sistemas;
- A manobra não deve permitir sobrecarga, superior ao percentual permitido, nos elementos pertencentes às redes de distribuição;
- A manobra não deve permitir violação dos ajustes de proteção;
- A manobra não deve violar a faixa de tensão admissível nas redes primárias.
- A implementação do sistema self healing deve garantir que haja a minimização do número de consumidores afetados por interrupções de energia ao longo do ano;
Além disso, o sistema de self healing não se limita apenas a reestabelecer quedas de energias, mas as concessionárias também empregam essa tecnologia na supervisão e no controle das quedas de tensão, na redução de perdas elétricas, no balanceamento das cargas, na supervisão e nos controles dos níveis de corrente nos cabos e dispositivos, e até mesmo em operações resilientes em situação de ataques ou de desastres naturais.
Posto isto, a implementação do sistema self healing se mostra essencial para o desenvolvimento das smart cities, principalmente no quesito mobilidade urbana e conectividade. Essas cidades serão altamente dependentes das fontes de energia para se manterem funcionando, essencialmente das fontes de energia renováveis tais como - energia hídrica, energia solar, energia eólica, energia geotérmica e energia oceânica - onde o principal objetivo é atingir a neutralidade carbônica até o ano de 2050.
São notáveis a evolução e o caminho trilhado para a retirada do termo smart cities do papel. Atualmente é possível encontrar diversas tecnologias que permitiram a fácil aquisição e interesse dos consumidores, buscando a integração e controle de seus sistemas e dispositivos a partir de qualquer local. É factível a necessidade de cidades cada vez mais integradas, com base em iniciativas que buscam a criação de uma infraestrutura assertiva e de fácil acesso ao público.
De acordo com a literatura “Cidades inteligentes: Uma abordagem humana e sustentável”, o Brasil possui iniciativas nacionais em andamento, dentre as cidades de maior porte estão São Paulo, Belo Horizonte e Goiânia. No qual as duas primeiras cidades optaram pelo aperfeiçoamento do transporte público, trazendo um maior conforto e soluções de mobilidade, enquanto Goiânia optou por focar em questões financeiras através da economia digital e desenvolvimento do empreendedorismo.
Como é visto, São Paulo sempre aparece como a cidade com maior integração e aplicação no contexto de smart cities, é crível que a cidade será a maior referência nacional. Desta maneira, o trabalho desenvolvido utiliza como sua principal fonte de informação dados relativos à crescente demanda, e problemas enfrentados para a implementação e captação de recursos para tal desenvolvimento.
Logo, essas fontes também estarão suscetíveis a falhas ocasionadas por efeitos transitórios em redes de distribuição, porém com o agravante da alta dependência do sistema energético. Portanto, em caso de queda de energia o sistema self healing deverá atuar de modo que os impactos sejam os menores possíveis.
CONCLUSÕES
O sistema de distribuição elétrica é fundamental para a sociedade moderna, uma vez que, todos os sistemas dependem da matriz energética para se manterem em funcionamento. Assim sendo, o estudo da aplicação do sistema self healing na resolução de problemas relacionados aos transitórios de rede se mostra essencial no sentido de identificar as solicitações pelas quais os componentes elétricos estão sujeitos, possibilitando desenvolver projetos cada vez mais confiáveis, pois os dados coletados permitem o dimensionamento correto dos equipamentos que, por sua vez, garantem o isolamento das linhas de transmissão e subestações.
Ademais, o sistema self healing é uma das ferramentas que compõem o conceito de smart grids ou redes inteligentes, conceito este que está diretamente atrelado ao desenvolvimento das smart cities, visto que essas cidades serão extremamente dependentes da matriz energética para manter seus serviços em funcionamento.
Para finalizar, podemos concluir que o sistema self healing se mostra uma importante ferramenta na reconfiguração, otimização e auto restauração das redes elétricas de distribuição, pois diminuem o tempo de resposta das concessionárias em casos de queda de energia, ao qual uma rápida ação resulta em ganhos materiais e econômicos que aumentam o nível de satisfação dos consumidores de energia que estão a cada dia mais dependentes da disponibilidade da energia elétrica para executarem as suas tarefas do dia a dia.
REFERÊNCIAS
Cidades Inteligentes: Uma abordagem humana e sustentável. Centro de estudos e debates estratégicos: Consultoria Legislativa, p. 25-31, 1ª ed., 2021.
DIAS, GABRIEL. Cálculo de transitórios eletromagnéticos em linhas de transmissão aéreas trifásicas: Uma modelagem no domínio das fases considerando a dependência da frequência dos parâmetros elétricos do solo. Universidade Federal de São João Del-Rei Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, p. 1-2. 2019.
D’AJUZ, ARY; S. FONSECA, CLÁUDIO; S. CARVALHO, F. M.; A. FILHO, JORGE; N. DIAS, L.E.; P. PEREIRA, MARCO; V. ESMERALDO, PAULO CESAR; VAISMAN, ROBERTO; O. FRONTIN, SÉRGIO. Transitórios elétricos e coordenação de isolamento: Aplicação em sistemas de potência de alta-tensão. Furnas. Universidade Federal Fluminense, p. 15-31, 1987.
GELLINGS, Clark W. The Smart Grid: enabling energy efficiency and demand response. The Fairmont Press, Inc.2009.
O Ranking Connected Smart Cities. Necta e Urban Systems, 2022. Disponível em: https://ranking.connectedsmartcities.com.br. Acesso em 09 jul. 2022.
OHARA, Alexandre T. Sistema de Recomposição Automática de Redes de Distribuição – A aplicação do conceito de Self-Healing. IN: Anais do VI CIERTEC 2009 - Seminário Internacional sobre Smart Grid em Sistemas de Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica. Belo Horizonte, Minas Gerais: 2009
PRAMIO, JEFERSON. Estudo sobre Self Healing: Conceitos, Metodologias e Aplicações em Redes de Distribuição de Energia Elétrica. p. 33-67, 2014.
Ranking Connected Smart Cities. Necta e Urban Systems, p. 24-30, 2021.
Smart Grids: “O que é e como funciona essa inovação em distribuição de energia elétrica. Neoenergia, 2019. Disponível em: Smart Grids: : Smart Grids: O que é e como funciona essa inovação em distribuição de energia elétrica - Neoenergia. Acesso em: 21 jun. 2022.
Tecnologia Self Healing Beneficia 472 municípios nas áreas de concessão da Neoenergia. Neoenergia, 2021. Disponível em: Tecnologia Self Healing beneficia 472 municípios nas áreas de concessão da Neoenergia - Neoenergia. Acesso em: 21 jun. 2022.
CONICT IFSP 2022 6 ISSN: 2178-9959
