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EM Aterramento
SEGURANÇA TEM CUSTO E INSEGURANÇA TEM PREÇO
SERGIO ROBERTO SANTOS
Uma instalação elétrica tem no seu sistema de aterramento um componente, ao mesmo tempo, de muita importância e abrangência. Mais pelas suas inúmeras atribuições do que complexidades a ele inerentes, o aterramento é alvo frequente de equívocos que impedem que ele atenda as funções que deveria de fato desempenhar.
As finalidades de um sistema de aterramento são: controlar as tensões de passo e toque, permitir a eficácia do seccionamento automático da alimentação, limitar sobretensões e fornecer uma referência de potencial para a instalação. Para que o conjunto desses objetivos seja alcançado é necessário que o tema aterramento seja estudado em todos os seus aspectos, teóricos e práticos, conhecendo-se todas as normas sobre esse assunto. É necessário ler as normas sobre instalações elétricas completamente, compreendendo assim como o aterramento influencia a segurança, eficiência e confiabilidade da instalação.
O subsistema de aterramento é o componente do sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), que tem o objetivo de conduzir e dispersar a corrente do raio no solo, sem causar danos para seres vivos ou instalações dentro da estrutura a ser protegida. Já para instalações de média ou baixa tensão, incluindo os arranjos fotovoltaicos, o aterramento é fundamental para que seja garantida a segurança das pessoas contra contatos indiretos. O ponto fundamental aqui é compreender que, qualquer que seja o requisito ou a atribuição considerada, a infraestrutura de aterramento para a proteção contra descargas atmosféricas ou para a segurança das instalações de baixa ou média tensão deve ser a mesma, algo bem definido no item 6.4.1.1.3 da norma técnica ABNT NBR 5410*:
“Como as opções de eletrodos de aterramento indicadas em 6.4.1.1.1 são também reconhecidas pela ABNT NBR 5419**, elas podem e devem ser usadas conjuntamente pelo sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) da edificação, nas condições especificadas naquela norma”.
Já o projeto do sistema de aterramento para uma subestação de energia elétrica tem como objetivo dimensionar os condutores da malha de aterramento e a geometria desta, de modo a que os condutores suportem os esforços térmicos decorrentes da circulação das correntes de curto-circuito e que o desenho da malha contribua para limitar os potenciais de passo e toque, durante a dissipação das correntes de falta no solo. Através da avaliação dos valores da corrente de curto-circuito, tensão de passo e toque, tempo de atuação do seccionamento automático da alimentação e resistividade aparente do solo, é obtido o valor da resistência da malha de aterramento necessária para garantir a segurança durante o funcionamento da subestação.
Dessa forma, podemos perceber que um único sistema de aterramento deve atender a diferentes requisitos, mas que dificilmente eles serão conflitantes entre si. Cabe ao profissional responsável por gerenciar todo o empreendimento, coordenar diferentes equipes profissionais, incluindo de arquitetura e engenharia civil, para que o resultado final, o sistema de aterramento da instalação, seja o mais seguro, eficiente e econômico possível.
Como em outras áreas da engenharia, o conhecimento sobre aspectos importantes do aterramento, como o comportamento do solo em baixas e altas frequências, técnicas para medição de resistência e resistividade e como evitar a corrosão de materiais, evolui. Por isso conceitos equivocados são abandonados e novos procedimentos são estabelecidos.
Várias questões relevantes da engenharia elétrica podem ser discutidas, tendo o aterramento, com perdão do trocadilho, como fio condutor. Nos próximos artigos desta coluna que agora inauguramos em EM, abordaremos a relação entre aterramento e segurança das pessoas, a proteção contra surtos e a propagação de ruídos. Esperamos assim, por meio dessa interação com os colegas profissionais da área elétrica, contribuir para que tenhamos instalações mais seguras, confiáveis e econômicas.
* ABNT NBR 5410:2004 – “Instalações elétricas de baixa tensão” ** ABNT NBR 5419:2015 (série) – “Proteção contra descargas atmosféricas”
Engenheiro eletricista da Lambda Consultoria, instrutor da Termo técnica ParaRaios e mestrando do Instituto de Energia e Ambiente da USP, Sergio Roberto Santos apresenta e analisa nesta coluna aspectos de aterramento e proteção contra descargas atmosféricas e sobretensões transitórias, temas aos quais se dedica há mais de 20 anos. Os leitores podem apresentar dúvidas e sugestões ao especialista pelo email em_aterramento@arandaeditora.com.br.
Este é um relato de como o investimento em novas tecnologias traz melhorias para as redes de distribuição, incluindo uma visibilidade ampla do sistema para o despacho de energia. A distribuidora norte-americana PSE&G implantou um sistema de monitoramento de seus ativos da rede subterrânea, que trouxe avanços importantes de confiabilidade, disponibilidade, localização de defeitos e manutenção baseada nas condições.
Osistema de monitoramento de condições dos ativos da rede subterrânea da PSE&G – Public Service Electric and Gas, distribuidora de energia elétrica e gás de Nova Jersey, EUA, fornece visibilidade do sistema para despachantes de energia, informações para os engenheiros e operabilidade remota para toda a organização. Essas informações operacionais dos grandes sistemas subterrâneos urbanos de 26 kV da PSE&G são obtidas e distribuídas com o uso de redes de comunicação de fibra óptica, sistema Scada (supervisão, controle e aquisição de dados), sensores e relés de proteção microprocessados modernizados.
O sistema de monitoramento de rede (NMS, de network monitoring system) via fibra óptica de última geração está instalado nas maiores malhas urbanas da área de atendimento da empresa. Esse sistema permite monitoramento em tempo real de transformadores e protetores de rede, bem como comunicação bidirecional e controle desses protetores.
Uma abordagem abrangente
As soluções foram desenvolvidas utilizando recursos que já eram utilizados na PSE&G. Essa abordagem forneceu à empresa uma ferramenta para acompanhar a saúde dos ativos com tecnologias de smart grid, incluindo
T&D World
Configurando o sistema de monitoramento
canais de comunicação redundantes de alta velocidade.
A empresa Black & Veatch forneceu toda a engenharia e integração do sistema, desde os dispositivos de campo nos compartimentos subterrâneos dos transformadores até os displays gráficos de operador que fazem parte do Scada. Os componentes do sistema — incluindo as unidades terminais remotas (UTRs), relés de proteção de rede microprocessados com capacidade para Scada, todos os sensores, e invólucros e conectores submersíveis — foram fornecidos pela empresa Electronic Technology.
O sistema fornece status e condição em tempo real dos ativos subterrâneos, o carregamento de todos os transformadores, dados operacionais como tensões e correntes, controle operacional dos protetores de rede e localização de falhas nos cabos. Quando da implantação, o projeto incluiu a atualização das câmaras dos transformadores com comunicação por fibra óptica e equipamentos Scada. Isso propicia monitoramento remoto de transformadores e indicadores de falhas em cabos, bem como controle dos relés de proteção da rede. Para todos as câmaras, a rede de comunicação de fibras ópticas é redundante.
Monitoramento da integridade do sistema
A UTR coleta e mede a integridade do sistema em nível de transformadores e de circuitos. Em seguida, transmite os dados por cabo de fibra óptica a uma central. Dessa central, as informações vão tanto para as telas dos responsáveis pelo despacho no setor de
* Texto redigido com base em artigo de David Blew, da PSE&G, publicado na “T&D World”.
operação quanto para as estações de trabalho do pessoal da engenharia. Esse tipo de monitoramento de rede permite que a distribuidora conheça, em tempo real, o que está acontecendo no seu subsolo. Com ele, o departamento de operação da PSE&G monitora remotamente a configuração e o carregamento da rede e toma medidas para evitar interrupções ou falhas no sistema. A implantação foi realizada sob um programa existente na ocasião, do Conselho de Serviços Públicos de Nova Jersey, para estímulo à melhoria da confiabilidade do serviço.
O fornecimento incluiu a adição de um backbone de fibra redundante, várias centenas de UTRs, mais de 600 relés de proteção com capacidade Scada e mais de mil sensores, além do trabalho de programação e de display da estação mestre do Scada. O equipamento fornece informações em tempo real com taxa de varredura de 4 segundos.
Expectativas alcançadas
Esse sistema de última geração aumentou a confiabilidade e permitiu à
PSE&G operar o sistema elétrico com mais eficiência. Também proporcionou economia ao evitar inspeções e visitas em campo, tornou o sistema elétrico mais resiliente e forneceu mais opções para reduzir a duração das interrupções de energia, caso ocorram. O sistema oferece economia significativa em termos de tempo de trabalho de equipes para verificação do equipamento em campo, Fig. 1 – Tela de supervisão da rede na cidade de New tanto no que se refere a esBrunswick, Nova Jersey tado quanto a carregamento. Não apenas evita deslocamentos até os locais físicos, mas também todas as providências de preparação relacionadas, como controle de tráfego ou bombeamento de caixas de inspeção. As telas do sistema permitem fácil monitoramento de áreas inteiras e alguns dados são configura-
Fig. 2 – Tela exibindo toda a rede e interconexões em Newark, Nova Jersey Fig. 3 – Tela mostra detalhes que incluem status do equipamento e dados operacionais
dos para mudar de cor com base nos valores mostrados.
A capacidade de localização de faltas torna-se mais rápida e precisa, evitando horas de pesquisa aleatória para localizar os defeitos, com o correspondente bombeamento de caixas de inspeção. Tudo isso resulta em um restabelecimento mais rápido de circuitos.
Protetores de rede
Uma das maiores utilidades desse monitoramento é a identificação de protetores de rede fechados e com alimentação reversa (backfeeding). Um problema comum de qualquer rede subterrânea com secundário em reticulado é quando os protetores não atuam, como deveriam, na ocorrência alimentação reversa. Quando um disjuntor da subestação é aberto, seja manual ou automaticamente, o alimentador não desliga imediatamente, pois muitos protetores de rede ainda estão fechados. Assim que o disjuntor abre, a energia começa a fluir em sentido inverso, via um ou mais protetores da rede. A tensão da rede é aumentada pelos conjuntos transformadores MT/BT operando em sentido reverso, o que mantém o alimentador em tensão normal de operação ou próximo dela.
Em circunstâncias normais, esse fluxo reverso de energia é detectado pelo relé de proteção, que então abre o protetor de rede. Conforme um protetor atua, outras unidades começam a enxergar a energia reversa e também atuam. Num sistema operacionalmente adequado, isso continua até que todos os protetores de rede estejam abertos e o alimentador esteja desenergizado.
Se um protetor de rede não abrir, devido a uma falha mecânica, um relé com defeito ou qualquer outra razão, o fluxo de energia reverso não é interrompido e o alimentador continua energizado. Isto pode criar condições para que a energia flua desde o protetor defeituoso (com retroalimentação) ao longo do alimentador, e avance através de outro protetor fechado.
O relé deste segundo protetor não tem condições de distinguir se aquele fluxo de potência se origina de uma subestação ou um protetor vizinho, e portanto não atua. Em consequência, este protetor de rede permanece fechado de forma “solidária” (“in sympathy with”, no original) com a unidade defeituosa. Dependendo das condições do sistema, vários protetores de rede podem permanecer solidariamente fechados, tornando mais difícil rastrear a unidade defeituosa.
Em alguns casos, é possível que a abertura de um desses protetores solidários não defeituosos faça com que a tensão do alimentador aumente o suficiente para que o relé de um outro protetor aberto “enxergue’ a diferença de tensão (para fluxo de energia normal), e feche o protetor. Uma vez que o protetor em retroalimentação é localizado e aberto, todos os demais protetores passam a enxergar o fluxo reverso e a abrir, permitindo que o alimentador desligue.
Há alguns anos, sanar uma situação de backfeeding costumava tomar até um dia inteiro de trabalho de várias equipes. Cada poço tinha que ser esgotado e inspecionado para checar se o protetor de rede estava fechado e, caso afirmativo, se estava retroalimentando. Depois da instalação do sistema de supervisão, passou-se a identificar imediatamente o protetor de rede defeituoso via uma tela especialmente desenvolvida para esse fim. Uma equipe pode então ser enviada diretamente para o local e resolver o problema.
Manutenção inteligente
Com vistas a uma abordagem de manutenção mais centrada em confiabilidade, a PSE&G desenvolveu algoritmos para usar dados de tempo real de forma inteligente, permitindo que o computador monitore continuamente as informações e alerte os engenheiros quando alterações estão ocorrendo.
Todas as informações disponíveis foram centralizadas em um sistema computadorizado de gerenciamento de manutenção (SCGM), e foi criado um processo de alertas em que os especialistas são notificados imediatamente, por meio eletrônico, sobre alarmes recebidos do sistema de monitoramento da rede de 26 kV. Esses alarmes incluem: “falha do protetor ao fechar”, “falha do protetor ao abrir”, “excesso de operações do protetor”, “alta/baixa pressão no invólucro do protetor”, “potência aparente (kVA) alta/baixa”, “pressão interna do transformador alta/baixa”, “fusível queimado” e “alarme de retroalimentação”.
Esses alarmes podem ser usados para identificar um equipamento operando de maneira diferente de outros equipamentos semelhantes e para identificar o problema no instante em que este ocorre. Os algoritmos de alarme
continuam a ser refinados e os resultados analisados por especialistas e acompanhados pelas equipes de redes subterrâneas. Os engenheiros responsáveis pelos ativos passaram a reunir-se mensalmente para revisar os resultados dos algoritmos e determinar maneiras de tornar os alarmes mais inteligentes.
Além disso, o histórico de alarmes do sistema é registrado em um banco de dados relacional, o que permite o rastreamento de equipamentos problemáticos e a determinação da integridade de todos os ativos da rede. Os alarmes incluem: “carregamento do transformador acima de 100% do dado da placa de identificação”, “desequilíbrio de tensão e corrente no protetor”, “excesso de operações do protetor”, “histórico de alarmes de retroalimentação” e “altas temperaturas e baixas pressões do transformador”.
Monitores adicionais foram criados para cada malha de baixa tensão e estão disponíveis na intranet da empresa, para toda a organização: corrente, ângulo de fase de corrente, kVA(%), kVA(%) do transformador em relação à potência nominal, status do protetor, tendências de kVA, e diagrama unifilar de circuitos de linhas subterrâneas com detectores de falhas e seu status atual.
Profissionais técnicos da empresa fornecedora foram adicionados às notificações de alarme do SGCM e trabalharam com o pessoal da distribuidora para refinar problemas com os alarmes. As investigações revelaram problemas de atualizações de firmware de relés, falhas em motores e resistores, bobina de disparo queimada, fonte de alimentação do relé com falha e relés defeituosos. Especialistas e engenheiros responsáveis pelos ativos continuam a trabalhar com as áreas técnicas dos fornecedores na investigação de alarmes, corrigindo problemas e identificando fragilidades que pudessem causar falhas futuras.
Aprendizado contínuo
A empresa está construindo um modelo de ativos de transformadores e protetores de rede do seu sistema subterrâneo no SGCM, correlacionando dados de operação, diagnóstico, manutenção e inspeção, e elaborando algoritmos de manutenção baseada em condições — o sistema emite alarmes e indica localização das falhas. É necessário aprender com o sistema continuamente para tornar os alarmes mais inteligentes, bem como os relatórios e telas mais robustos.
As medidas incluem a integração do histórico de ordens de serviço, resultados de dados operacionais dos circuitos, testes de diagnóstico (óleo e fluxo de energia reverso) e histórico de alarmes em um algoritmo de identificação de transformadores, protetores e circuitos de piores desempenhos.
Os algoritmos de avaliação com base nas condições são criados para os ativos de rede da concessionária, combinando dados históricos e dados de operação dos circuitos em um ranking de prioridades de equipamentos a serem inspecionados ou substituídos — um trabalho contínuo e de longo prazo.
Guia de UPS, retificadores e inversores de energia
Da Redação de EM A pesquisa contempla produtos destinados à proteção de cargas e instalações contra surtos, interrupções no fornecimento, variações de tensão, etc., fornecidos no mercado brasileiro. A tabela dedicada aos UPSs traz informações sobre modelos estáticos de baixa tensão e também dinâmicos (rotativos). A segunda tabela inclui dados sobre fontes, estabilizadores, retificadores e carregadores de baterias, inversores, filtros ativos, bancos de carga e chaves de transferência, entre outros.
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Obs.: Os dados constantes deste guia foram fornecidos pelas próprias empresas que dele participam, de um total de 109 empresas pesquisadas. Fonte: Revista Eletricidade Moderna, julho/agosto de 2021. Este e outros guias EM estão disponíveis on-line, para consulta.
Acesse www.arandanet.com.br/revista/em e confira. Também é possível incluir a sua empresa na versão on-line de todos estes guias.
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Obs.: Os dados constantes deste guia foram fornecidos pelas próprias empresas que dele participam, de um total de 109 empresas pesquisadas. Fonte: Revista Eletricidade Moderna, julho/agosto de 2021. Este e outros guias EM estão disponíveis on-line, para consulta.
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Objetivos e desafios de um projeto de microrredes
Juan Camilo López, João Inácio Yutaka Ota, Marcos J. Rider, A. Pomilio e Luiz C. P. da Silva, da Unicamp; e Rafael Gomes Bento, da CPFL O projeto Merge compreende o desenvolvimento de quatro microrredes com características e finalidades diferentes. Combinando pesquisa e engenharia, a iniciativa visa avaliar o dimensionamento, projeto e especificação das microrredes, além de gerenciamento energético, eletrônica de potência, segurança cibernética, etc. Outra meta é gerar oportunidades para novos modelos de negócios e energia mais flexível e confiável aos consumidores.
Aintegração das fontes de energia renováveis aos sistemas de potência favorece a diversificação da matriz energética, adia grandes investimentos em produção de energia elétrica e reduz as emissões de gases de efeito estufa. Porém, há desafios a serem enfrentados devido à intermitência dessas fontes e a razoabilidade dos custos de investimento. Nesse contexto, as microrredes, constituídas pela interconexão e coordenação das fontes renováveis dentro das redes existentes, permitem uma operação mais eficiente, confiável e sustentável [10].
Uma microrrede típica compreende uma variedade de recursos energéticos, incluindo fontes de geração renovável, geração distribuída, sistemas de armazenamento, pontos de carregamento de veículos elétricos e cargas controláveis e não controláveis [14]. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) define uma microrrede como um grupo de cargas interconectadas e recursos de energia distribuída dentro de limites elétricos claramente definidos que atuam como uma única entidade controlável em relação à rede e pode se conectar e desconectar da rede para permitir que ela opere tanto no modo conectado como no modo ilhado [12]. Historicamente, as principais motivações para desenvolvimento e implantação de microrredes são: confiabilidade, benefícios econômicos e integração de fontes renováveis [4]. Nos Estados Unidos, o foco tem sido melhorar a resiliência e a confiabilidade em áreas críticas, perante ataques cibernéticos e condições climáticas severas. Além disso, o custo econômico devido ao adiamento da construção de grandes centrais geradoras e a economia relacionada ao aumento da eficiência também tem impulsionado o desenvolvimento das microrredes. Na Europa, a principal motivação tem sido a necessidade de integrar grandes quantidades de fontes renováveis à rede, a fim de diminuir o impacto ambiental resultante da geração de energia elétrica a partir de combustíveis fósseis [7]. No Brasil, as microrredes existentes estão em geral instaladas em locais onde não há conexão ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e operam de forma isolada [13]; soluções conectadas são raras e ainda em estado incipiente de pesquisa.
As microrredes são uma alternativa eficiente e moderna para evitar a interrupção do fornecimento de energia a consumidores mais sensíveis e mais prejudicados por esses eventos. Em 2018, os consumidores de energia elétrica brasileiros sofreram, em média, 12,85 horas de interrupções, gerando
Fig. 1 – Funcionalidades das microrredes
Fig. 2 – Esquema da microrrede LabREI [11]
prejuízos de R$ 483,52 milhões [3]. Além disso, com o incremento da geração solar no Brasil, as microrredes surgem como excelentes alternativas para integrar essas fontes de geração, através da implantação de sistemas de gerenciamento energético que executem algoritmos eficientes para o controle dos armazenadores de energia, conversores e da demanda [6]. Desta forma, aumenta a motivação para investimentos no planejamento, implantação e testes de microrredes, com capacidade de operação conectada à rede e ilhada.
Neste contexto, foi iniciado o projeto de pesquisa e desenvolvimento Merge - Microgrids for Efficient, Reliable and Greener Energy, financiado pela CPFL Energia, que procura desenvolver conhecimento para antecipar oportunidades, enfrentar ameaças e gerar valor agregado por meio do estudo da implantação de aplicações reais de microrredes no Brasil. Este artigo apresenta características gerais desse projeto, os desafios enfrentados durante as fases de planejamento, implantação e testes das microrredes, e os produtos de pesquisa esperados para sistemas de gerenciamento energético, eletrônica de potência, estimação de estado e previsão de demanda/geração renovável, estabilidade, segurança cibernética e regulação dentro da realidade brasileira.
Projeto Merge
A figura 1 apresenta uma visão geral das principais funcionalidades de controle necessárias em uma microrrede com operação conectada à rede e ilhada. Elas estão divididas em três grupos segundo a camada de operação. No nível superior, estão as funcionalidades relacionadas à interação da microrrede com as redes externas e os esquemas de mercado energético. No nível médio, encontram-se as funcionalidades referentes ao controle interno, em termos de gerenciamento energético e controle integrado dos sistemas de potência. Finalmente, no nível inferior, tem-se as características de operação em tempo real relacionadas principalmente com o controle local de cada um dos componentes. Embora a camada de telecomunicações seja transversal a todos os processos, ela não é indispensável para a operação mínima do sistema.
Entre os objetivos específicos, o projeto Merge inclui planejamento, implantação e testes de quatro microrredes na região do distrito de Barão Geraldo, na cidade de Campinas, estado de São Paulo, a saber: Microrrede LabREI; Nanogrid; Campusgrid; e Congrid. Cada uma das microrredes apresenta características e desafios particulares, devido à demanda de cada uma e fontes de energia renováveis a serem integradas. Prevê-se a execução do projeto em 48 meses. Como executoras do projeto, estão equipes formadas por pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), da Universidade Federal do Maranhão (UFMA) e do Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI). Existe a possibilidade da participação de uma equipe da China Electric Power Research Institute (CEPRI), o que poderia trazer oportunidades de cooperação internacional ao projeto.
Fig. 3 – Estrutura física e microrrede do LabREI e equipamentos
A seguir, são detalhados o escopo, área alvo e infraestrutura atual de cada uma das microrredes a serem desenvolvidas, enfatizando objetivos e desafios identificados. Microrrede LabREI: laboratório de microrredes
A primeira microrrede funciona na FEEC - Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Unicamp, no Laboratório de Redes Elétricas Inteligentes (LabREI), sendo financiada pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo através do Projeto “Pesquisas interdisciplinares em redes elétricas inteligentes” [9]. A microrrede LabREI oferece um ambiente controlado para testes e estudos de novas aplicações relacionadas às redes elétricas inteligentes (smartgrids) e microrredes [11].
A figura 2 apresenta um esquema simplificado da microrrede LabREI, que é formada por 13 barras, cada uma permitindo a conexão de uma unidade de prosumer (do inglês, productor and consumer). A microrrede LabREI também possibilita alterações em sua configuração e na localização de seus elementos ativos. O conceito inclui o uso de tecnologias reais de geração, armazenamento, consumo controlável e não controlável, monitoramento e gestão, entre outros. Além disso, o LabREI fornecerá plataformas para estudos baseados em simulação computacional, simulação real em nível experimental, bem como a combinação de ambos, através de simulação em tempo real (por exemplo, hardware-in-the-loop). Oferecerá ainda um ambiente de baixo risco, permitindo ampla gama de estudos e simulações e um elevado impacto no nível de conhecimento e domínio do tema para os participantes do projeto. Portanto, será a base para o sucesso do projeto Merge, uma vez que no laboratório, com potência na faixa de algumas dezenas de kVA, e não em campo, será possível identificar as boas soluções.
A figura 3 apresenta a estrutura física da microrrede LabREI, que conta com diversos equipamentos para testes laboratoriais, como: • conversor trifásico bidirecional, 126 kVA, programável (Regenerative grid simulator); • analisador de energia trifásico, 4 canais; • emuladores de banco de baterias (Regenerative power system), 500 V, 40 A, 10 kW; • emuladores de painéis fotovoltaicos (Autoranging System DC power supply with PV mode), 1500 V, 30 A, 15 kW; • registrador portátil trifásico de qualidade de energia elétrica, 4 canais de tensão e 4 canais de corrente; • carga eletrônica regenerativa, 4 quadrantes, 10,5 kVA; e • banco de cargas RLC trifásico, programável, 15 kVA.
Pretende-se aumentar a capacidade da microrrede através da aquisição e implantação dos seguintes equipamentos: • simulador do tipo hardware-in-the- loop (HIL); • osciloscópios digitais, de 6 a 4 canais, sondas de corrente, sondas de tensão isoladas e recursos de análise de energia; • computadores pessoais e acessórios; • monitores de vídeo; • inversores para interfaces GD e instalação na microrrede;
• equipamentos para sistema de comunicação e informação e instalação na microrrede, incluindo fontes de alimentação ininterrupta; e • sistemas simuladores de GD (FV, baterias, microturbina, etc.) para instalação na microrrede.
Os desafios atuais identificados durante a fase de planejamento, implantação e testes da microrrede laboratorial LabREI são: 1 – Finalização de comissionamento da microrrede LabREI e de compra de equipamentos. 2 – Avanço na automatização e de interface de acesso remota à estrutura da microrrede LabREI, com a síntese de circuitos integrados, a configuração de servidor de dados e acesso, além da criação de interface de visualização de dados e de operação da microrrede. 3 – Diferentes fabricantes e tecnologias de sistemas de aquisição, armazenamento e transmissão de dados trazem desafios de interoperabilidade dentro do sistema, especialmente na operação e supervisão remota da microrrede.
Nanogrid: Nanorrede de corrente contínua (CC)
A Nanogrid trata-se de uma nanorrede de corrente contínua, que será aplicada em uma garagem de veículos elétricos na sede da CPFL - Companhia Paulista de Força e Luz, em Campinas, SP. Consistirá de frota já existente de veículos elétricos da CPFL juntamente com a implantação de novos pontos de carregamento, de geração fotovoltaica e de armazenamento de energia em baterias, aliados a uma gestão energética e de recarga, realizados em plataformas local e remota. O objetivo é explorar o conceito de microrredes e nanorredes de corrente contínua (CC) e a viabilidade de integração com a infraestrutura elétrica existente [8]. A Nanogrid também servirá de showroom de tecnologias e soluções associadas às microrredes para profissionais do setor elétrico e sociedade em geral.
O principal desafio da nanorrede é a pouca experiência do setor elétrico brasileiro com a implantação de sistemas de corrente contínua, integrando no mesmo barramento os pontos de carregamento de veículos elétricos, os painéis fotovoltaicos e os sistemas de armazenamento. O risco associado é considerado médio, pois poucas pessoas terão acesso à nanorrede, e estas detêm conhecimento médio ou elevado sobre as tecnologias empregadas.
CampusGrid: microrrede do campus universitário
A Campusgrid é a aplicação em campo de uma microrrede de grande porte no campus de Campinas da Unicamp. Trata-se da maior microrrede a ser implantada no Brasil, sendo uma futura referência para o setor elétrico brasileiro. Sua instalação será realizada através do esforço conjunto de uma equipe multidisciplinar, de forma a controlar os riscos e obter um resultado que atenda à expectativa inicial. Neste caso, as etapas de estudos, dimensionamento, implantação e testes estarão sob responsabilidade das equipes da Unicamp, UFMA (a qual especialmente possui experiência na implantação de microrredes isolada [5, 13]) e CPFL.
A figura 4 mostra a área alvo e a demanda nominal da Campusgrid, que abrangerá o Ginásio Multidisciplinar (GMU), a Biblioteca Central César Lattes (BC) e o Restaurante Universitário (RU), incluindo uma usina de geração fotovoltaica com capacidade instalada de 330 kWp e uma estação de carregamento de ônibus elétrico [2]. A estimativa é que esta microrrede atinja capacidade instalada superior a 1 MVA.
A Campusgrid deverá ser implementada em quatro semestres, com início previsto no segundo ano do projeto Merge. O primeiro semestre será dedicado ao planejamento e estudos técnicos de sua localização física; no segundo semestre, serão adquiridos os equipamentos necessários. A implantação em campo terá início no terceiro semestre, e no quarto semestre será iniciada a operação, com seu subsequente monitoramento e estudos dos resultados obtidos.
Foram identificados diversos desafios no planejamento, implantação e comissionamento da Campusgrid, os
quais podem atrasar o cronograma ou até comprometer sua execução. Os principais são: 1 – Demora no processo de especificação, aquisição e despacho dos componentes. Certos equipamentos, como os sistemas de armazenamento e as chaves de transição de estado conectado/ilhado, não são de fabricação em massa e deverão ser customizados. 2 – Agendamento das etapas de implantação física da Campusgrid, haja vista que grande parte das atividades realizadas em seus prédios não podem sofrer longos períodos de interrupção de fornecimento de eletricidade, especialmente durante o período de aulas. 3 – Implantação na rede de média tensão (rede primária de distribuição), o que acarretará maiores custos nos dispositivos de medida, eletrônica de potência e de proteção. 4 – Objetivos conflitantes nos fatores que determinam o sistema de armazenamento, os quais deverão ser ponderados para definir o tamanho e o tipo de baterias (por exemplo, o tempo esperado de operação ilhada, a geração fotovoltaica média, o pico de demanda e a tecnologia de bateria).
Congrid: Microrrede residencial
A Congrid tem o objetivo de implantar uma microrrede “piloto” fora do campus universitário, levando o conceito de microrredes a consumidores da região de atuação da CPFL. Ela será projetada e instalada em um condomínio de Barão Geraldo, distrito de Campinas, SP, integrando tecnologias de geração fotovoltaica, armazenamento e gestão da energia, podendo operar tanto em modo conectado com a rede de distribuição quanto em ilhamento forçado ou intencional.
Trata-se da etapa do projeto Merge com maior grau de risco por implantar novas tecnologias em um ambiente de uso intenso, por consumidores reais e leigos. Portanto, cronologicamente será a última microrrede a ser implantada no projeto. Além disso, apenas incluirá funcionalidades e aplicações exaustivamente testadas e bem-sucedidas nas microrredes executadas anteriormente. Será escolhido um condomínio que já tenha participado do projeto P&D PD-0063-3012/2014 [1], de forma a aproveitar a infraestrutura de geração fotovoltaica já instalada, reduzindo custos na implantação da Congrid. Esta microrrede também passará por longo e amplo cronograma de levantamento de dados, planejamento, projetos de engenharia, implantação e testes, sendo que a segurança física e cibernética são aspectos críticos. A previsão é de que a Congrid esteja totalmente operacional somente no quarto ano do projeto.
Pesquisa e oportunidades
Em paralelo ao projeto e à implantação das quatro microrredes, o projeto propõe amplo plano de pesquisa na área de microrredes com abrangência em todas as escalas de tempo associadas aos fenômenos intrínsecos à sua operação, a saber: ✓ Milissegundos: uma equipe especializada estudará todos os fenômenos rápidos associados aos equipamentos conectados via conversores eletrônicos de potência.
✓ Segundos: estudos de controle e estabilidade envolvendo eventuais fontes rotativas com dinâmica um pouco mais lenta. ✓ Minutos a horas: modelos de otimização para despacho de ações para operação no curto prazo das microrredes. ✓ Horas a dias: modelos de otimização incluindo previsões meteorológicas e de demanda para despacho de ações para o planejamento da operação das microrredes no médio prazo. Adicionalmente, as equipes de senvolverão estudos e procedimentos de suporte para viabilizar a implantação sistemática de microrredes seguras, confiáveis e sustentáveis, e para explicitar e esclarecer eventuais impactos na distribuição de energia. Espera-se que o projeto Merge forme recursos humanos altamente qualificados, contribuindo com a evolução do conhecimento sobre microrredes através de financiamento de 12 pósdoutorados, 10 doutoramentos, 12 mestrados e 4 trabalhos de conclusão de curso, além de relatórios técnicos referentes ao andamento do projeto e às várias ferramentas digitais e diversos dispositivos desenvolvidos para o planejamento e operação eficiente das microrredes. A seguir listam-se as principais funções de cada equipe, de acordo com sua especialidade: ✓ Eletrônica de potência: a equipe dará suporte técnico às especificações, implantação e testes dos conversores eletrônicos de potência nas microrredes, e será responsável pela implantação, caracterização e operação do LabREI. ✓ Estabilidade transitória: a equipe desenvolverá estudos e implantará técnicas de controle para garantir uma operação estável das microrredes durante a operação ilhada e nas operações de ilhamento das microrredes. ✓ Estimação de estado: a equipe desenvolverá soluções para garantir a integração de todos os dados coletados nas microrredes, a estimação de dados adicionais necessários, e o fornecimento de dados e informações
Fig. 4 – Área alvo da microrrede Campusgrid, com a capacidade instalada de seus principais prédios e sua respectiva taxa de utilização
necessárias em outras aplicações das microrredes. ✓Gerenciamento energético: a equipe apresentará novas metodologias para o gerenciamento dos recursos distribuídos e desenvolverá sistemas de gerenciamento energético nas microrredes, visando minimizar os custos operacionais e maximizar a integração das fontes renováveis de energia. ✓Segurança cibernética: serão desenvolvidos e estudados protocolos e estratégias para proteger e blindar os equipamentos e sistemas das microrredes em caso de ataques cibernéticos. ✓Temas regulatórios: serão desenvolvidos estudos de impacto regulatório com propostas de alterações necessárias em normas vigentes para viabilizar o novo mercado de microrredes e ao mesmo tempo proteger e garantir segurança ao mercado regulado de distribuição de energia.
Conclusões
Neste artigo, foram apresentados o escopo e os principais desafios do projeto de P&D Merge - Microgrids for Efficient, Reliable and Greener Energy, que compreende projeto, implementação e teste de quatro microrredes pilotos, que vão operar tanto no modo conectado à rede como ilhado. A LabREI será a base para realização experimental de diversos estudos relacionados à implantação de microrredes reais. Espera-se que os conhecimentos obtidos sejam então aplicados à microrrede Campusgrid, que será implantada na Unicamp, e à Nanogrid, a ser instalada na sede da CPFL. Por último, planeja-se a implantação da microrrede residencial Congrid, que aproveitará o conhecimento técnico e científico já consolidado com as demais microrredes, de forma a garantir sua implantação segura em um ambiente não controlado. Desafios e riscos relacionados à implantação de cada uma das microrredes foram identificados, a fim de auxiliar futuros projetistas de microrredes no Brasil. Finalmente, ressalta-se a multidisciplinaridade do projeto Merge através da apresentação de diversas possibilidades de pesquisa em diferentes áreas de conhecimento científico, com a oportunidade de lançamento de novos produtos e modelos de negócio, resultando em sistemas elétricos mais sustentáveis, flexíveis e confiáveis para os consumidores finais.
Agradecimentos: O projeto P&D Merge e suas pesquisas são financiadas pela CPFL Energia, através do Projeto P&D PD-00063-3058/2019: Desenvolvimento de microrredes eficientes, confiáveis e sustentáveis. O LabREI e suas pesquisas são financiadas pela Fapesp - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Processos 2016/08645-9, 2018/13993-1)
Referências
[1] Agência Nacional De Energia Elétrica - Aneel (2014). Projeto P&D PD-0063-3012/2014: Aplicação massiva de geração distribuída solar em diferentes tipologias de telhados na cidade de Campinas. Brasília, Brasil. [2] Agência Nacional De Energia Elétrica - Aneel (2017). Projeto P&D PD-00063-3032/2017: Desenvolvimento de um modelo de Campus Sustentável na Unicamp – Laboratório vivo de aplicações de minigeração renovável, eficiência energética, monitoramento e gestão do consumo de energia. Brasília, Brasil. [3] Agência Nacional De Energia Elétrica - Aneel (2018). Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica. Brasilia, Brasil. [4] Bahrami, S. e Mohammadi, A. (2019) Smart Microgrids: From Design to Laboratory-Scale Implementation. Springer, New York, USA. [5] Barcelos, S.L., de Matos, J.G. e Ribeiro, L.A.S. (2019). Modelling and Analysis of the Isolated Microgrid Installed at the Lençóis Island using PSCAD/EMTDC. In: 15th Brazilian Power Electronics Conference and 5th IEEE Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC 2019), Santos, São Paulo, Brasil, pp.273-278. [6] Chowdhury, S. e Crossley, P. (2009) Microgrids and Active Distribution Networks. Institution of Engineering and Technology. London, UK. [7] Delfino, F., Procopio, P., Rossi, M., Brignone, M., Robba, M. e Bracco, S. (2018) Microgrid Design and Operation: Toward Smart Energy in Cities. Artech House. Norood, USA. [8] Dragičević, T., Lu, X., Vasquez, J.C., Guerrero, J.M. (2016). DC Microgrids-Part II: A Review of Power Architectures, Applications, and Standardization Issues, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 5, pp. 3528-3549. [9] Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP (2019). Pesquisas interdisciplinares em redes inteligentes de energia elétrica. Disponível em: <https://bv. fapesp.br/pt/auxilios/97003/pesquisas-interdisciplinares em-redes-inteligentes-de-energia-eletrica/>. Acesso em 17 jan. 2020. [10] Hatziargyriou, N. (2014). Microgrids: Architectures and Control. Wiley-IEEE Press, West Sussex, UK. [11] Pomilio, J.A., Ota, J.I.Y., do Val, J.B.R, Ruppert Fo., E., Lyra Fo., C., Marafão, F.P., Freitas, W., Dotta, D., Ferreira, P.A.V., Villalva, M.G., Mendes, L.S., Rothenberg, C.E., Sguarezi Fo., A.J., Gonçalves, F.A.S., Paredes, H.K.M., Godoy, E.P., Guillardi Jr., H. e Guerreiro, J.F. (2019). Pesquisas Interdisciplinares em Redes Inteligentes de Energia Elétrica. In: 3o Simposio Iberoamericano em Microrredes Inteligentes con Integración de Energías Renovables, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil, 1 a 4 de setembro de 2019. [12] Ton, M.A., Smith, D.T. (2012). The U.S. Department of Energy’s Microgrid Initiative. In The Electricity Journal, volume 25, 84-94. [13] Veras, L., Oliveira, H., de Matos, J.G., Saavedra, O.S., Ribeiro, L.A.S. (2019). Analysis of Performance and Opportunity for Improvements in the Microgrid of Ilha Grande. In: 15th Brazilian Power Electronics Conference and 5th IEEE Southern Power Electronics Conference (COBEP/ SPEC 2019), Santos, São Paulo, Brasil, pp.1161-1166. [14] Zambroni de Souza, A.C., Castilla, M. (2018). Microgrids Design and Implementation. Springer, New York, USA.
