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Britta Buchholz, Martin MaxiMini, aDaM SlupinSki, leyla aSgarieh – os sistemas de energia encontram-se em grandes transformações decorrentes principalmente de um aumento da geração distribuída. com a injecção irregular de energia a níveis de tensão inferiores a 132 kV por milhões de pequenos geradores, são necessárias novas soluções que permitam às redes de distri-buição aumentarem a sua capacidade de forma a poderem suportar a geração distribuída. algumas destas soluções foram desenvolvidas pela aBB em colabo-ração com universidades e operadores de rede alemães. a primeira solução centra-se numa abordagem de planeamento inteligente que apoia os operadores energéticos na modernização económica das suas redes de distribuição ao longo de um período de tempo. a segunda consiste na automação inovadora da rede para subestações secundárias inteligentes e na regulação distribuída de tensão. Por fim, e não menos importante, através de software de gestão de activos tal como o neplan® Maintenance a aBB ajuda o operador a ultrapassar difíceis desafios tecnológicos ao mesmo tempo mantendo os custos num mínimo.

Como aumentar a capacidade das redes de distribuição para suporte à geração distribuída

Distribuição mais inteligente

FotoEm várias regiões da Alemanha as centrais solares, eólicas e de biogás geram mais energia do que a consumida localmente. A foto mostra a vila de Freiamt, na Floresta Negra. (Imagem: Luca Siermann)

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tronik Informationstechnik) sobre liga-ções à rede, obrigatório para todos os geradores com uma capacidade inferior a 100 kW [3].

A lei alemã sobre energias renováveis de 2012 (EEG, Erneuerbare-Energien-Ge-setz) requer que todos os geradores dis-

tribuídos com uma ca-pacidade superior a 30 kW colaborem com o operador da rede de distribuição para a gestão da potência in-jectada, o que per-mitirá ao operador re-duzir a potência activa por controlo remoto em caso de problemas de estabilidade na rede. A entrada em

vigor desta nova legislação em Agosto de 2014 reforçou a participação da gera-ção distribuída no mercado e encorajou uma previsão fiável da geração [4]. Os novos regulamentos preparados pela as-sociação europeia dos operadores de distribuição eléctrica (ENTSO-E, Euro-pean Network of Transmission System

variações na velocidade do vento e na irradiação solar. Sob tais condições, a manutenção da tensão dentro de limites definidos de forma a evitar tremulações torna-se um desafio real. Para a estabili-zação de tensão e o fornecimento de potência reactiva a partir de geradores distribuídos, os operadores das redes

alemãs consideram principalmente duas linhas de orientação para conformidade com as suas regulamentações locais:– As directrizes técnicas da associação alemã das indústrias energéticas e hídri-cas (BDEW, Bundesverband der Ener-gie- und Wasserwirtschaft) relativas à ligação de instalações industriais à rede de média tensão, aplicáveis a todos os geradores com uma capacidade igual ou superior a 100 kW [2].– O regulamento VDE-AR-N 4105 da as-sociação alemã para as tecnologias eléctricas, electrónicas e de informação (VDE, Verband der Elektrotechnik Elek-

A capacidade dos alimentadores de distribuição é antes de mais definida pela regulamentação local ou nacional sobre redes

eléctricas e pelas práticas correntes dos operadores dos sistemas de distri-buição. Contudo, outros factores, tais como estipulações térmicas, regulação de tensão, níveis de falhas, qualidade da energia, esquemas de protecção e fluxo inverso de energia e sua contenção, lim-itam a capacidade e muitos países pro-puseram vários métodos possíveis para ultrapassar esta limitação [1]:– Alteração da topologia da rede, regula mentação da configuração e/ou novas instalações;– Corrente de curto circuito como um serviço suplementar;– Regulação de tensão e compensação de potência reactiva;– Controlo de potência dos geradores distribuídos;– Adaptação de esquemas de protecção;– Opções futuras, tais como controlo, armazenamento, gestão de carga e ele-mentos activos em áreas alargadas.

Na Alemanha o sistema eléctrico foi con-cebido com elevada capacidade de reserva, e assim muitas redes podem suportar geração adicional. Contudo, para a maioria um factor limitativo da sua capacidade é o nível de tensão, o qual pode adicionalmente sofrer flutuações rápidas indesejadas decorrentes das

A elevada penetração da geração distribuída aumenta a pressão sobre os níveis de fiabilidade e de disponi-bilidade.

notas1 Em parceria com operadores de rede tais como

RWE Deutschland AG, Westnetz, E.ON Mitte, STAWAG, Stadtwerke Duisburg, Netze BW

e EnBW ODR e universidades tais como a Universidade Técnica de Dortmund e a

Universidade de Estugarda.

1 Mapa dos projectos piloto da aBB em redes eléctricas inteligentes na alemanha

Focus areas

Energy management

Energy storage

Distribution grid automation

1 Econnect 2 Green2Store 3 GRID4EU 4 RiesLing 5 SmartArea 6 MeRegio7 T-City Smart Grids

1

2

4

5

3

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PLAN, encontra-se em desenvolvimento adicional para permitir aos planeadores reagirem rapidamente a pedidos de liga-ção de geradores à rede por parte dos seus clientes -2, assim ajudando a atrasar ou mesmo evitar investimentos na ampliação da rede pela utilização da infraestrutura existente até à sua capaci-dade máxima. Contudo, à medida que são atingidos os limites da infraestrutura, a fiabilidade e a disponibilidade dos acti-vos tornam-se ainda mais críticos. Além disto, os reguladores estão a opor-se a aumentos de despesas de manutenção, mesmo em situações de ampliação da rede. Uma outra ferramenta da ABB, As-set Health Center, ajuda os operadores das redes a compreenderem os riscos de falha em cada um dos seus activos de distribuição críticos, evitarem falhas desses activos e ao mesmo tempo mini-mizarem as suas despesas de manuten-ção.

aumentado a capacidade da rede na renânia-palatinado Em 2011, a RWE Deutschland AG demonstrou, num projecto galardoado, como um regulador activo de tensão (AVR, Active Voltage Regulator) baseado em electrónica de potência da ABB, o PCS100, consegue estabilizar os níveis de tensão na rede de 20 kV e nas sub-estações de transformação 20 kV / 0,4 kV. Através do desacoplamento das flutuações de tensão aos níveis de 110

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Operators for Electricity) encontram-se presentemente em vias de adopção como legislação europeia [5]. No seu es-tudo sobre serviços de apoio ao sistema eléctrico no horizonte temporal até 2030, a autoridade alemã para a energia, dena, afirma que a elevada penetração de re-cursos renováveis distribuídos requer uma nova abordagem sistémica para o desenvolvimento de todo o sistema en-ergético a todos os níveis de tensão [6].

Projectos-piloto envolvendo operadores de rede e universidades1 deram origem a soluções inovadoras da ABB para a operação e controlo de redes de distri-buição alemãs com elevada componente de geração distribuída. Algumas destas são descritas nas secções seguintes -1.

Ferramentas para a gestão da crescente complexidadeNo passado era fácil o cálculo dos fluxos de carga e dos níveis de tensão num sistema de distribuição apenas com dis-tribuição de energia de níveis de tensão elevados para níveis mais baixos. Pre-sentemente a energia é distribuída na rede ao mesmo nível de tensão a que é injectada, tornando-se os cálculos assim mais complexos. Para determinar se um gerador pode ser ligado à rede sem vio-lar os limites, estão a tomar uma im-portância cada vez maior, a todos os níveis de tensão, as ferramentas de soft-ware. Uma dessas ferramentas, NE-

FIONA é uma unidade remota de monitorização e controlo para subestações secundárias inteli-gentes que fornece informação sufici-ente sobre o trans-formador 20 kV / 0,4 kV com apenas um número redu-zido de medições.

2 Captura de ecrã do software NEPLAN®

The figure shows a low-voltage grid with a nominal voltage of 400 V. There is a substation in the upper-left corner. The background color visualizes the voltage range deviations in the grid. The green color represents areas where the voltage range is within the allowed voltage range. Considering a voltage range of eg, ±10 percent, the red color reflects areas which are below or above this value. Voltages below 360 V or above 440 V occur in areas which are far from the substation and have a high DER infeed and low load or in areas with no DER infeed and high load. The voltage deviation is due to a mismatch between production and consumption.

kV, 20 kV e 0,4 kV foi significativamente aumentada a capacidade de suporte de geração distribuída pela rede, o que por sua vez permitiu reduções significativas de custos para o operador, principal-mente ao nível de 20 kV. Entre 2010 e 2013 a ABB instalou com sucesso um total de dez AVR PCS100 em subesta-ções de transformação 20 kV / 0,4 kV. De facto, a base de produtos AVR da ABB está agora bem estabelecida no mercado e é conhecida pela sua elevada qualidade de energia em aplicações in-dustriais e comerciais.

As equipas do projecto concluíram que os requisitos típicos de um operador de um sistema de distribuição relativos a regulação de tensão em subestações transformadoras 110 kV / 20 kV e 20 kV / 0,4 kV são menos estritos do que os das aplicações industriais, podendo ser satisfeitos com a solução mais económi-ca de um comutador de tomadas em serviço. A sociedade de engenharia de energia (ETG, Energietechnische Gesell-schaft) da VDE recomenda a regulação da tensão de distribuição como um acti-vo economicamente rentável [8].

Com base nestas conclusões e para sat-isfazer os requisitos dos operadores de sistemas de distribuição, a ABB desen-volveu o transformador de distribuição de tensão controlada Smart-R Trafo2 -3, baseado num económico comutador de

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de apenas um número reduzido de medições -4. A isto encontra-se asso-ciado o AVR PCS 100 com regulação de tensão numa área alargada para a ma-nutenção dentro da banda permitida da tensão medida em pontos distribuídos.

Foram desenvolvidas e introduzidas no sistema de controlo da rede novas car-acterísticas de operação preditiva, de forma a antecipar o congestionamento no nível de 20 kV. Estas características fornecem a flexibilidade para alterar top-ologias ou permitir que os clientes re-spondam adaptando o seu comporta-mento de consumo futuro [10]

planeamento inteligente em aachen e DuisburgoApesar de a regulação de tensão ser geralmente reconhecida como uma solução económica para a moderniza-ção da rede, não é tão imediata a sua implementação num contexto de planea-mento e operação normais. Para muitos operadores de sistemas de distribuição, a falta de conhecimento sobre os instan-tes, grandezas e tipos das solicitações colocadas às suas redes transforma num desafio a determinação de quando irão estas atingir os seus limites opera-cionais. Após a entrada em vigor na Ale-manha da lei sobre energias renováveis, muitos operadores de rede foram asso-berbados por um número muito elevado

tomadas em serviço com cinco passos de regulação de tensão. Este equipa-mento fornece qualidade de energia ad-equada para redes de distribuição e es-pera-se que se torne um activo standard para os operadores de redes de distri-buição na Alemanha e noutros merca-dos.

Monitorização e controlo na Baviera A elevada penetração da geração dis-tribuída aumenta a pressão sobre os níveis de fiabilidade e de disponibilidade, os quais por sua vez afectam as dura-ções das interrupções de serviço. Para a optimização de activos e reservas, mais do que assumir uma carga máxima irre-alista or efectuar cálculos baseados em cenários de pior caso, torna-se ainda mais importante dispor de informação sobre as cargas medidas. Para fazer face a estes requisitos e promover a in-clusão da regulação de tensão numa oferta de automação da distribuição, a ABB desenvolveu um novo conjunto de soluções no âmbito do que é conhecido como o projecto RiesLing3 [9]. O primeiro, FIONA, é uma unidade re-mota de monitorização e controlo para subestações secundárias inteligentes que fornece informação suficiente sobre o transformador 20 kV / 0,4 kV a partir

de pedidos privados, de curto tempo de resposta, para ligação de geradores.

Para ultrapassar esta barreira e permitir decisões rápidas a ABB desenvolveu a abordagem de “planeamento inteli-gente”, a qual essencialmente transfor-ma incrementalmente uma rede exis-tente de baixa tensão numa rede inteligente de acordo com os requisitos presentes [11]. As redes são primeira-mente classificadas a partir de um pequeno número de características es-truturais, tais como o número de fogos e pontos de acoplamento comuns, o diâ-metro da rede de distribuição secundária e a penetração de sistemas fotovoltaicos na rede.

Se a geração distribuída se situar abaixo de um valor crítico, o pedido de conexão pode ser autorizado sem necessidade de cálculos adicionais. No caso de a rede ser classificada como potencial-mente crítica, avança-se então para a fase de observação, na qual o nível de tensão na subestação secundária é me-dido. Através da utilização da “impressão digital” da rede, determinada por medições ou cálculos, é estimado o nível de tensão da rede local. Validações em várias redes reais mostraram que as ten-sões estimadas para os pontos críticos das linhas de alimentação a partir da “impressão digital” da rede e os valores efectivamente medidos nas várias redes de distribuição não diferem por mais de 2 V, o que representa uma precisão su-perior a 1 por cento. Se durante esta fase a rede ultrapassar o limite máximo

3 o transformador de distribuição de tensão controlada Smart-r trafo da aBBA abordagem de “planeamento inteligente” da ABB essencialmente transforma incre-mentalmente uma rede existente de baixa tensão numa rede inteligente.

notas2 Apresentado na Feira Industrial de Hanôver em

Abril de 2014. 3 Em parceria com Netze BW, EnBW ODR AG e

T-Systems.

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permitido, a subestação secundária re-spectiva tem de ser ampliada na fase se-guinte com, por exemplo, um regulador de tensão ou um transformador de distri-buição de tensão controlada.

regulação baseada em incentivosA liberalização dos mercados energéti-cos e a introdução de regulação base-ada em incentivos aumentaram a pressão sobre os operadores de siste-mas para reduzirem os seus custos mas ao mesmo tempo mantendo um elevado nível de fiabilidade do serviço. O enfoque do problema é assim transferido de questões puramente técnicas para questões tecnoeconómicas. Para se conseguir este equilíbrio, é essencial um plano de manutenção adaptado aos ac-tivos utilizados e também à operação da rede.

A ferramenta de gestão de activos da ABB, NEPLAN Maintenance, é um soft-ware aprovado para a elaboração de planos de manutenção, como por exem-plo a manutenção centrada na fiabili-dade (RCM, Reliability-Centered Mainte-nance), e também para a simulação de activos a longo prazo. Também se en-contra disponível uma ferramenta de avaliação de orçamentação que calcula os custos para várias estratégias de ma-nutenção.

Os sistemas de distribuição desempen-ham um papel fulcral na transformação em curso dos sistemas de energia. As soluções desenvolvidas pela ABB em conjugação com universidades e opera-

dores de redes alemães apoiam os op-eradores de redes através da melhoria técnica e económica das suas instala-ções existentes. Num futuro próximo, funções automatizadas adicionais pré-definidas serão capazes de controlar os dispositivos primários para a optimiza-ção da operação da rede.

Distribuição mais inteligente

Britta Buchholz

Martin Maximini

adam Slupinski

leyla asgarieh

ABB Power Systems Consulting

Mannheim, Alemanha

britta.buchholz@de.abb.com

martin.maximini@de.abb.com

adam.slupinski@de.abb.com

leyla.asgarieh@de.abb.com

referências[1] S. Papathanassiou et al. “Capacity of

Distribution Feeders for Hosting DER,” CIGRE Technical brochure 586, Paris, ISBN: 978-2-85873-282-1, Jun. 2014.

[2] BDEW. (2008, Jun.). Generating plants connected to the medium-voltage network: Guideline for generating plants’ connection to and parallel operation with the medium-voltage network [Directrizes técnicas].

Disponível em: http://www.bdew.de/internet.nsf/id/

A2A0475F2FAE8F44C12578300047C92F/$file/BDEW_RL_EA-am-MS-Netz_engl.pdfBDEW

[3] VDE. (2011). VDE Anwendungsregel 4105 “VDE-AR-N 4105“ [Directrizes técnicas].

Disponível em: http://www.vde.com[4] Renewable Energy Act (2014) Gesetz für den

Ausbau erneuerbarer Energien. Disponível em: http://www.gesetze-im-internet.

de/bundesrecht/eeg_2014/gesamt.pdf[5] ENTSO-E. Requirements for generators

[Código]. Disponível em: https://www.entsoe.eu/ major-projects/network-code-development/

requirements-for-generators/Pages/default.aspx [6] dena. (2014, 11 Fev.). Ancillary Services Study

2030: Security and reliability of a power supply with a high percentage of renewable energy [Relatório].

Disponível em: http://www.dena.de/fileadmin/user_upload/Projekte/Energiesysteme/Dokumente/dena_Ancillary_Services_Study_2030.pdf

[7] C. Willim et al., “Zukünftige Spannungsregelung im Netz der E.ON Mitte AG (Future voltage regulation in the distribution grid of E.ON Mitte AG),” in Proceedings of VDE-ETG Congress, Wuerzburg, 2011.

[8] VDE-ETG. (2013, Jan.). Aktive Energienetze im Kontext der Energiewende.

Disponível em: http://www.vde.com/de/fg/ETG/Arbeitsgebiete/V2/Aktuelles/Oeffenlich/Seiten/VDE-StudieAEN.aspx

[9] S. Kaempfer et al., “The RiesLing (Germany) and InovGrid (Portugal) projects - Pilot projects for innovative hardware and software solutions for Smart Grid requirements,” in Proceedings of CIGRE Session, Paris, 2014, pp. 25–28.

[10] C. Franke et al., “Head smart: Strengthening smart grids through real-world pilot collabora-tion,” ABB Review 3/2013, pp. 44-46.

[11] A. Slupinski et al., “Neue Werkzeuge zur Abschätzung der maximalen Spannung im Niederspannungsnetz“ (New tools to estimate maximum voltage in the low-voltage grid), in Proceedings of VDE-ETG Congress, Berlim, 5–6 Nov. 2013, ISBN 978-3-8007-3550-1 VDE Verlag.

4 a unidade remota de monitorização e controlo Fiona da aBB