Reconfiguração de redes de distribuição reais para a minimização de perdas de energia
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Reconfiguration of real distribution networks to minimize energy losses
Primeiro orientador
Membros da banca
Rodney Rezende Saldanha
Ricardo Luiz da Silva Adriano
Gustavo Luís Soares
Carlos Henrique Nogueira de Resende Barbosa
Leonardo Henrique Faria Macedo Possagnolo
Ricardo Luiz da Silva Adriano
Gustavo Luís Soares
Carlos Henrique Nogueira de Resende Barbosa
Leonardo Henrique Faria Macedo Possagnolo
Resumo
As Perdas Técnicas (PTs) de potência e energia elétrica são inerentes ao processo de geração, transmissão
e distribuição de energia elétrica. No caso do Sistema de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE), as PTs
podem ser apuradas por meio de medições ou por simulações computacionais, em que normalmente se usa
o método de cálculo do Fluxo de Potência. Neste caso, é necessária uma representação adequada do SDEE
que contemple os seus principais componentes e equipamentos nas redes de Média e Baixa Tensão, além
da carga conectada ao sistema. As distribuidoras de energia adotam diversas ações para a minimização das
PTs que vão desde investimentos em novos equipamentos à maneiras mais eficientes de se operar o sistema.
A Reconfiguração de Redes de Distribuição (RRD) é uma técnica de redução de perdas que se tornou
bastante atrativa nas últimas décadas, devido à progressiva automação do sistema, com a incorporação de
dispositivos Intelligent Eletronic Devices (IEDs) que possibilitam a realização de manobras telecomandadas.
O desafio do problema de RRD é encontrar uma configuração de rede com melhores condições de operação,
tais como menores perdas de energia e a melhoria do nível de tensão, considerando as restrições técnico-
operacionais do sistema de distribuição, tais como os limites mínimos e máximos do nível de tensão, a
corrente admitida nas linhas e a necessidade de manter-se a configuração radial das redes. A literatura
científica apresenta diversas técnicas para a solução deste problema, sendo as técnicas heurísticas e meta-
heurísticas as mais aplicadas. A proposta desta tese é aplicar as técnicas para a solução do problema de
RRD visando a minimização de perdas de energia em alimentadores de distribuição reais da CEMIG-D, a
concessionária de distribuição de energia elétrica do estado de Minas Gerais. Assim, foi desenvolvida um
método baseado na heurística Branch Exchange, incorporando conceitos de meta-heurísticas evolutivas e da
análise de agrupamento. Para a avaliação das propostas de configuração das redes, foram utilizados dois
programas de fluxo de potência de código aberto, o MatPower e o OpenDSS. O método foi aplicado nas
principais redes de benchmark (redes de 33, 69, 84, 119 e 136-barras), com resultados comparáveis e, em
alguns casos, superiores aos da literatura científica especializada, tendo como indicador o número de
simulações de fluxo de potência (NFP). As principais contribuições originais da tese são a aplicação da análise
de agrupamento ao PRRD, a proposição de modificação da Equação de estimação de perdas de Baran&Wu
e a adição de uma restrição de tensão ao modelo mono-objetivo, viabilizando a aplicação em sistemas reais
que apresentam cargas dependentes do nível de tensão e equipamentos de regulação de tensão. Três
estudos de caso em redes de distribuição reais de grandes dimensões da CEMIG-D são apresentados,
comprovando a aplicabilidade do método na busca por configurações de rede com menores perdas de energia
com poucas execuções de fluxo de potência. Até o momento, a metodologia foi aplicada no SDEE da CEMIG-
D, com a efetivação de 89 reconfigurações em campo, representando uma redução de perdas de energia de
4.959 MWh/ano.
Abstract
Power and energy technical losses are inherent to the generation, transmission, and distribution of electrical energy. In the distribution energy segment, the technical losses can be determined by measurements or computer simulations, in which the Power Flow method is normally used. For the last one, a proper representation of the system is necessary, covering its main components and equipment in the medium and low voltage networks, in addition to the load connected to the system. Distribution utilities adopt several actions to minimize such losses, ranging from investments in new equipment to more efficient ways of operating the system. Distribution Network Reconfiguration (DNR) is a loss reduction technique that has become very attractive in recent decades, due to progressive grid automation with Intelligent Electronic Devices (IEDs) that allow remote operation. The challenge of the DNR Problem (DNRP) is to find a network configuration with better operating conditions, such as lower energy losses and improved voltage levels, considering the technical and operational system constraints of the system, such as minimum and maximum voltage level limits, the current admitted in the lines, and the need to maintain the grid radial configuration. The scientific literature presents several techniques for solving the problem, with heuristics and meta-heuristics techniques being the most applied. This thesis proposal applies these techniques to solve the DNR problem and minimize the energy losses in real distribution feeders of CEMIG-D, the electricity distribution utility in the state of Minas Gerais/Brazil. Thus, a method based on the Branch Exchange heuristics was developed, incorporating concepts of evolutionary meta-heuristics and cluster theory. To evaluate network configuration proposals, two open-source power flow software were applied, Matpower and OpenDSS. The method was applied in the main benchmark networks (33, 69, 84, 119, and 136-bus), with results comparable and, in some cases, better than those in the scientific literature, using the number of Power Flow simulations (NPF) as a key indicator. The main original contributions of the thesis are the application of cluster analysis to the DNRP, the proposal to modify the Baran&Wu loss estimation equation, and the addition of a voltage-level constraint to the mono-objective model, enabling the application in real distribution networks that present voltage-dependent loads and voltage regulation equipment. Three case studies in real distribution networks from CEMIG-D are presented, proving the method’s applicability in the search for network configurations with lower energy losses with few PF runs. To date, the methodology has been applied to the CEMID-D grid with 89 reconfigurations carried out in the field, representing a reduction in energy losses of 4,959 MWh/year.
Assunto
Engenharia elétrica, Sistemas elétricos de potência, Energia elétrica - Distribuição, Heurística
Palavras-chave
análise de agrupamento, cargas dependentes de tensão, fluxo de potência, matpower, meta-heurísticas evolucionárias, opendss, perdas de energia elétrica, permutação de ramos, reconfiguração de redes de distribuição