Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

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Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

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Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

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Objetivo da Aula

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Apresentar uma visão geral dos sistemas elétricos depotência.

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Conteúdo Programático

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O que são os Sistemas Elétricos

de Potência ?

Elementos Constituintes

Agentes Institucionais

Estudos comumente realizados

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Construção de Conhecimento Esperado

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Conhecer de forma qualitativa os Sistemas Elétricos dePotência (SEP).

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A Energia Elétrica

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Pode-se dizer que:

– A Energia Elétrica desempenha papel fundamental na sociedade pois,

• Fator preponderante no desenvolvimento e bem estar;

• Abundância ou escassez influencia o potencial econômico das nações;

• Versátil – capaz de ser utilizada nos mais diferentes meios e para as mais diferentesfinalidades.

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Visão Esquemática do SEP

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Expansão Contínua

Interligação

Maior complexidade

Continuidade no Fornecimento

Padrões de Qualidade

Confiabilidade

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Evolução do SEP Brasileiro

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Produção

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Evolução do SEP Brasileiro

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5.883bilhões kWh

4.095 bilhões kWh

568bilhões kWh

Produção – Comparação Mundo 2020

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Evolução do SEP Brasileiro

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568bilhões kWh

132bilhões kWh

109bilhões kWh

Produção – Comparação América do Sul - 2020

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Evolução do SEP Brasileiro

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Consumo

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Consumo - Comparação Mundo 2020

Evolução do SEP Brasileiro

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5.564 bilhões kWh

3.902 bilhões kWh

509bilhões kWh

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Consumo - Comparação América do Sul 2020

Evolução do SEP Brasileiro

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509bilhões kWh

72bilhões kWh

121bilhões kWh

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Definição de SEP

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Pode-se denominar de Sistema Elétrico de Potência (SEP)ao conjunto de infraestruturas (Equipamentos,tecnologias, processos, normas, legislação, etc.)responsáveis pela geração, transmissão e distribuição daenergia elétrica.

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Composição do SEP

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Geração:• Converte alguma forma de energia (hidráulica,

térmica, eólica, solar, etc.) em energia elétrica.

Transmissão:• Responsável pelo transporte de energia elétrica dos

Centros de Produção aos Centros de Consumo, ou até outros sistemas elétricos, interligando-os.

Distribuição:• Distribui a energia elétrica recebida do sistema de

transmissão aos grandes, médios e pequenos consumidores.

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Composição do SEP

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Em relação aos blocos fundamentais:

– Cada bloco requer diferentes níveis de investimentos e deve atender a padrõesde qualidade, de serviço e produto, específicos;

– Não é possível diferenciar relativamente a importância econômica de cada umdos blocos;

– Blocos em série → confiabilidade e desempenho qualitativo (obtenção demelhor resultado estratégico para determinado montante financeiro alocado)

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Composição do SEP

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Em relação aos blocos fundamentais:

– O sucesso da exploração econômica e confiável do SEP depende de quãointegrado e coerente é o trabalho desenvolvido na gestão dos três blocosmencionados.

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Topologias usuais para os blocos do SEP:– Radial

Composição do SEP

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Composição do SEP

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Sistema Radial - Características gerais:

– Construção relativamente econômica;– Baixa confiabilidade;– Baixa complexidade para estabelecimento do sistema de proteção;– A corrente de defeito flui sempre na mesma direção (fonte-local da falta);– Geradores eletricamente distantes → pequena variação nas correntes de

curto-circuito com mudanças nas capacidades geradoras;– A corrente de curto-circuito diminui conforme se afasta da fonte.

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Topologias usuais para os blocos do SEP:– Anel

Composição do SEP

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Composição do SEP

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Sistema em Anel - Características gerais:

– Construção mais cara em relação ao sistema radial;– Maior confiabilidade;– Maior complexidade para estabelecimento do sistema de proteção;– Maior flexibilidade para operação;– A direção do fluxo das correntes de curto-circuito é imprevisível;– O valor das correntes de curto-circuito varia em uma faixa muito grande

com mudanças na topologia do sistema e da capacidade de geração.

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Topologias usuais para os blocos do SEP:– Malhado

Composição do SEP

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Sistema Malhado - Características gerais:

– Maiores valores de corrente de curto-circuito;– Melhor distribuição do fluxo de potência;– Maior confiabilidade→ devido a redundância;– Possibilidade de operar como microgrid (operação ilhada);– Maior custo de implantação em relação a topologia radial e em anel;– Maior dificuldade de operação.

Composição do SEP

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Composição do SEP

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O SEP Brasileiro, segundo o Operador Nacional do Sistema elétrico (ONS) é caracterizado por:

– O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidro-termo-eólico de grande porte,com predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários;

– O Sistema Interligado Nacional (SIN) é constituído por quatro subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e amaior parte da região Norte

– Propicia a transferência de energia entre subsistemas, permite a obtenção de ganhos sinérgicos e explora adiversidade entre os regimes hidrológicos das bacias → Aumento da segurança operativa.

– Apenas 1,0% da energia requerida pelo país encontra-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados

– 212 localidades isoladas no Brasil, A maior parte está na região Norte, nos estados de Rondônia, Acre, Amazonas,Roraima, Amapá e Pará. A ilha de Fernando de Noronha, em Pernambuco, e algumas localidades de Mato Grossocompletam a lista. Entre as capitais, Boa Vista (RR) é a única que ainda é atendida por um sistema isolado.

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Elementos Constituintes

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Matriz Energética para o SEP

– O que é?

• É o conjunto de fontes primárias de energia que podem ser aproveitadascomercialmente para produção de energia elétrica a partir de alguma técnica deconversão.

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Elementos Constituintes

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Matriz Energética brasileira (Fevereiro de 2021 – empreendimentos em operação)

Solar 1,87%Nuclear 1,13%

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Matriz Energética - Mundo

Elementos Constituintes

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Composição do SEP

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Perfil de Consumo – 482 TWh (consumo total de energia elétrica no Brasil em 2019) Número de consumidores

por classe

Consumo de energia por classe

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Elementos Constituintes

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Geração

– Obtém-se a energia elétrica a partir da conversão de alguma outra forma deenergia, em geral, utilizando-se máquinas elétricas rotativas.

– Comumente o conjugado mecânico é obtido pelo uso de uma máquina primária(turbina, a qual pode ser hidráulica, eólica ou a vapor, por exemplo);

– Geradores com tensão terminal entre 10 a 30kV.

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Elementos Constituintes

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Geração (dados de fevereiro de 2021)

– O Brasil possui no total 9.202 empreendimentos em operação , totalizando176.495.945,16 kW de potência instalada;

– Está prevista para os próximos anos uma adição de 11.433.687,28 kW nacapacidade de geração do País, proveniente dos 254 empreendimentosatualmente em construção e mais 699 em Empreendimentos comConstrução não iniciada com potência total outorgada igual a27.201.119,22 kW.

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Elementos Constituintes

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Empreendimentos em construção (Fevereiro de 2021)

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Empreendimentos construção não iniciada (Fevereiro de 2021)

Elementos Constituintes

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Geração Hidráulica de forma esquemática

Elementos Constituintes

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Usina Hidroelétrica – 330MW - Aimorés

Elementos Constituintes

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Geração Termelétrica de forma esquemática

Elementos Constituintes

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Ciclo Combinado Menor emissão de poluentes;Reaproveitamento de água noprocesso.

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Usina Hidroelétrica – 857MW – Jorge Lacerda

Elementos Constituintes

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Page 36: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Usina Eólica de forma esquemática

Elementos Constituintes

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Usina Eólica – 293MW – Alto Sertão I

Elementos Constituintes

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Usina Eólica– Evolução da geração eólica (2006 a 2020)

Elementos Constituintes

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238 Gwh2006

56.623 Gwh2020

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Usina Solar de forma esquemática

Elementos Constituintes

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HeliotérmicaMolten-Salt (60% nitrato de sódio e 40%

nitrato de potássio)

Fotovoltaica

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Usina Solar Fotovoltaica – 3MW – Cidade Azul

Elementos Constituintes

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Usina Fotovoltaica– Evolução da geração solar (2016 a 2021)

Elementos Constituintes

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Evolução da potência instalada egeração de usinas solaresfotovoltaicas verificada no SIN. Apotência instalada contemplaapenas usinas em operaçãocomercial.

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Ranking com os 10 maiores países

Elementos Constituintes

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Transmissão

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Padronização do Valores de Tensão e frequência– Através do decreto lei nº 73080 de 5 de novembro de 1973

• Para transmissão em corrente alternada 750; 500; 230; 138 kV;• Para subtransmissão em corrente alternada 69; 34,5; 13,8 kV;• Para distribuição primária de corrente alternada em redes públicas: 34,5 e 13,8 kV;• Para distribuição secundária de corrente alternada em redes públicas: 380-220 e

220-127 volts (trifásico a quatro fios); 230/115 volts (monofásico a três fios).• Frequência padronizada em 60Hz.

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Evolução dos valores de tensão em linhas de transmissão

Transmissão

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• 1911 – 110 kV – Alemanha

• 1929 – 220 kV – Alemanha

• 1932 – 287 kV – EUA

• 1952 – 380 kV – Suécia

• 1965 – 725 kV – Canada

• 1985 – 1200 kV - URSS

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Transmissão

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Características gerais

– Geralmente é feita em Corrente Alternada (CA) em estruturas aéreas, nãosomente no Brasil, mas no mundo todo;

– A facilidade e flexibilidade em alterar os níveis de tensão através detransformadores constitui um dos maiores atrativos dos sistemas CAs(juntamente com os geradores trifásicos síncronos), o que justifica suaampla utilização.

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Comparação entre os custos de linhas aéreas e subterrâneas*

Transmissão

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Faixa de Tensão (kV) 110 a 219 220 a 362 363 a 764

Potência média transmitida (MVA/circuito) 220 600 1800

Investimento médio linha aérea (EUR/(km.MVA) 820 390 185

Investimento médio linha subterrânea (EUR/(km.MVA) 6100 4900 3700

Razão subterrânea/aérea 7,4 12,5 20

*reservado para situações nas quais uma linha aérea não é apropriada, como, por exemplo, saídas desubestações, licenciamento por parte da prefeitura, cruzamento sob outra linha de transmissão.

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Características gerais– Transmissão em Corrente Contínua (CC)

• Para distâncias longas, a transmissão em Corrente Contínua torna-se uma alternativa atraente. (maior distância → Maiores perdas em CA)

Transmissão

47

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Características gerais– Transmissão em Corrente Contínua (CC)

• Variações de topologia - bipolo

Transmissão

48Esquema típico para linhas de transmissão aéreas

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Características gerais– Transmissão em Corrente Contínua (CC)

• Variações de topologia - monopolo

Transmissão

49Esquema típico para transmissão submarina.

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Capacidade de Transmissão– Limitada pela reatância da Linha de Transmissão

Transmissão

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𝑃𝑃𝑘𝑘𝑘𝑘 ≅𝑉𝑉𝑘𝑘 ⋅ 𝑉𝑉𝑘𝑘𝑥𝑥𝑘𝑘𝑘𝑘

⋅ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜃𝜃𝑘𝑘 − 𝜃𝜃𝑘𝑘)𝑊𝑊

Para a qual: 𝑃𝑃𝑘𝑘𝑘𝑘 = potência ativa entre as barras 𝑘𝑘 e 𝑚𝑚; 𝑉𝑉𝑘𝑘 =tensão na barra 𝑘𝑘;𝑉𝑉𝑘𝑘= tensão na barra 𝑚𝑚; 𝜃𝜃𝑘𝑘= ângulo da tensão na barra 𝑘𝑘; 𝜃𝜃𝑘𝑘 = ângulo da tensãona barra 𝑚𝑚; 𝑥𝑥𝑘𝑘𝑘𝑘 = reatância série entre as barras 𝑘𝑘 e 𝑚𝑚.

Page 51: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Capacidade de Transmissão– Capacidade de transmissão x Tensão nominal

Transmissão

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Page 52: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Custo de Transmissão– Considerando apenas variações no montante de potência transmitida:

Transmissão

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Page 53: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Custo de Transmissão Considerando variações no montante de potencia transmitida e

distância:

Transmissão

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Page 54: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Transmissão

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Basicamente equipamentos emanutenção

Perdas Técnicas

Custo de Transmissão– Custos totais

Page 55: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Transmissão

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Sistema DC• Torres mais simples;• Menores perdas técnicas para

a mesma potência transmitida;• Custo elevado das estações

conversora-inversora

Entre 500 e 800 km para linhas aéreas;

Entre 40 e 100 km para linhas subterrâneas.

Custo de Transmissão– Comparação entre sistemas AC e DC

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Sistema Interligado Nacional SINTransmissão

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>100.000 km (rede básica)

Page 57: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Transmissão

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>120.000 km (rede básica)

Sistema Interligado Nacional SIN

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Sistema Interligado Nacional SIN

Transmissão

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>134.000 km (rede básica)

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SIN – Evolução no comprimento das linhas da rede básica

Transmissão

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230 kV36.358,40 km

500 kV25.956,70 km

500 kV47.790,45 km

230 kV57.071,32 km

Jan. 2008 a jan. 2021

SIN (2008) – 84.797,43 km

SIN (2021) – 148.572,63 km

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Visão topológica

Distribuição

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Page 61: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Distribuição

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Redes inteligentes segundo IEEE (2011):

– podem ser definidas como a integração entre o Sistema Elétrico dePotência (SEP), redes de comunicação de dados e tecnologia da informaçãocom o objetivo de melhorar o funcionamento do SEP a partir doestabelecimento de novas ações operativas.

Page 62: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Distribuição

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Segundo (Farhangi, 2010; Hassan e Radman, 2010; Moslehi e Kumar, 2010; NETL, 2009; Brown, 2008).

– capacidade do SEP de se recompor automaticamente, possuir elevada confiabilidade; – segurança operacional e qualidade do produto;– ser seguro a ataques cibernéticos;– capacidade de gerenciar a presença de geradores distribuídos, como células

combustíveis e painéis fotovoltaicos;– capacidade de otimizar a utilização dos elementos componentes do sistema;– minimizar despesas de operação, manutenção e perdas técnicas e não técnicas.

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Modelo Conceitual segundo o NIST (National Institute of Standards and Technology)

Distribuição

63Fonte: http://smartgrid.ieee.org/ieee-smart-grid/smart-grid-conceptual-model

Page 64: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Detalhe da Distribuição

Distribuição

64Fonte: http://smartgrid.ieee.org/ieee-smart-grid/smart-grid-conceptual-model

Page 65: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Distribuição

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Implicações para o estabelecimento das redes inteligentes:

– análise minuciosa e simultânea de diversos tópicos complexos como asegurança cibernética, interoperabilidade entre dispositivos de automação,controle e proteção, a confiabilidade e desempenho das soluções adotadas(infraestrutura, algoritmos, etc.).

Page 66: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Implicações - Exemplo

Distribuição

66MIRANDA et al. (2010)

Page 67: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Implicações - Exemplo

Distribuição

67MIRANDA et al. (2010)

Page 68: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Implicações - Exemplo

Distribuição

68MIRANDA et al. (2010)

Page 69: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

Implicações - Exemplo

Distribuição

69MIRANDA et al. (2010)

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Modelo Vigente SEP

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Modelo Vigente SEP

CNPE: Define a política energética do país, com o objetivo deassegurar a estabilidade do suprimento energético;

MME: Responsável pelo planejamento, gestão e desenvolvimentoda legislação do setor, bem como pela supervisão e controle daexecução das políticas direcionadas ao desenvolvimento energéticodo país;

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Modelo Vigente SEP

EPE: Realiza o planejamento da expansão da geração e transmissão, aserviço do MME, e dá suporte técnico para a realização de leilões;

CMSE: Supervisiona a continuidade e a confiabilidade do suprimentoelétrico;

ANEEL: Regula e fiscaliza a geração, transmissão, distribuição ecomercialização de eletricidade. Define as tarifas de transporte econsumo, e assegura o equilíbrio econômico-financeiro das concessões;

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Modelo Vigente SEP

ONS: Controla a operação do Sistema Interligado Nacional (SIN) demodo a assegurar a otimização dos recursos energéticos;

CCEE: Administra as transações do mercado de energia e realiza osleilões oficiais.

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Estudos Realizados

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Tipo de Estudo Período de análise

Transitório Eletromagnético Milisegundos (0,001 s)

Transitório Eletromecânico 0,1 segundos

Atuação dos Reguladores de velocidade 1 a poucos segundos

Atuação do Controle Automático de Geração

alguns segundos (10s), ou até 100 segundos

Redespacho Econômico vários minutos

Planejamento da Operação do Sistema horas; 1 dia; 1 semana ou 1 mês

Planejamento da Expansão do Sistema 5; 20; 30 anos

Estudos em Regime Permanente (fluxo de potência, curto-circuito) -

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Referências bibliográficas

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STEVENSON, William D.. Elementos de análise de sistemas de potencia. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1978. 347 p.

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Page 76: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

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Page 77: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

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Page 80: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

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Page 81: Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência

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