Coordenação robusta da proteção de redes de média tensão em parques eólicos
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Rodney Rezende Saldanha
Wallace do Couto Boaventura
Alexandre Cláudio Botazzo Delbem
Benemar Alencar de Souza
Walmir de Freitas Filho
Wallace do Couto Boaventura
Alexandre Cláudio Botazzo Delbem
Benemar Alencar de Souza
Walmir de Freitas Filho
Resumo
Mesmo bem dimensionado, todo SEP (Sistema Elétrico de Potência) está sujeito a sofrer falhas que devem ser rapidamente extinguidas pelo sistema de proteção. Um sistema de proteção é considerado eficiente quando é capaz de detectar pequenas alterações na corrente (sensibilidade), desconectar a menor área possível da rede (seletividade), operar sistematicamente somente quando necessário e, além disso, no menor tempo possível (agilidade). A coordenação do sistema consiste em definir ajustes adequados para os relés para que toda a proteção da rede funcione corretamente. O objetivo deste trabalho é apresentar soluções robustas para o problema de coordenação de relés de sobrecorrente em Redes de Média Tensão Dinâmicas. Um novo modelo matemático foi desenvolvido com a inclusão das variáveis de decisão 𝞫 e 𝞬, que definem os valores da curva características de cada dispositivo, e de novas restrições relacionadas ao tempo máximo de atuação permitido para os relés. Além disso, uma nova função objetivo é apresentada, com a inclusão de dois termos que minimizam o tempo de atuação dos relés de retaguarda e as violações no tempo máximo de atuação permitido para cada relé primário. A ferramenta híbrida proposta integra o algoritmo Evolução Diferencial com a Programação Linear e um operador de arredondamento inteligente para atender a dois objetivos: minimizar o tempo de atuação dos relés e maximizar a robustez da proteção em cenários com alterações topológicas oriundas de desconexões das linhas provocadas por uma, duas ou três faltas simultâneas. Os experimentos foram realizados para coordenação dos relés instalados no Complexo Eólico de Aracati, da Companhia Alupar, no estado do Ceará. A partir do sistema real, em operação, foram submetidos à otimização onze cenários que se diferenciam por características relacionadas às curvas características, à função objetivo e às condições de falta. Os resultados indicam um bom desempenho da ferramenta e das implementações realizadas no modelo matemático. Soluções que consideram os parâmetros de tempo inverso como variável conseguiram desempenhos 60% melhores do que aquelas em que a curva normalmente inversa é parâmetro para a coordenação. A inclusão dos tempos de atuação dos relés de retaguarda se mostrou muito importante à medida que o número de pares primário/retaguarda é muito superior ao número de relés. As reduções chegaram a 97% quando comparada ao modelo que não inclui esses tempos na função objetivo. Na coordenação robusta, a energia não suprida foi reduzida em até 70%, quantidade capaz de abastecer 104 residências brasileiras por um mês. Novos estudos estão em desenvolvimento para assegurar a escalabilidade da ferramenta de coordenação e para ampliar o escopo do problema também para usinas eólicas offshore.
Abstract
Relay protection coordination is the process of selecting and arranging protective relays to restrict
the effects of abnormal conditions in power electrical systems. The most economically viable way
to detect them and minimize their damage is by installing protection devices. The protection
function is efficient when detecting even small changes in the current (sensitivity), disconnecting
the smallest possible area from the network (selectivity), and operating systematically when
necessary. In addition, the whole process must take place in the shortest possible time (agility).
Therefore, each relay should act quickly and keep coordinating well with other devices on the
network. This study aims to find robust solutions for the overcurrent relay coordination problem
in Dynamic Medium-Voltage Networks. A new nonlinear mathematical model is presented. Its
novelty consists of considering the characteristic curves of relays as a variable and including
new constraints and penalties in the objective functions related to the operating maximum time
allowed. Furthermore, a new objective function is presented, including two terms that minimize
the actuation time of the backup relays and violations in the maximum actuation time allowed
for each primary relay. The proposed hybrid tool integrates the Differential Evolution algorithm
with Linear Programming and an intelligent rounding operator to achieve two objectives:
minimizing relay actuation time and maximizing the robustness of protection in scenarios with
topological changes arising from line disconnections caused by one, two, or three simultaneous
faults. The experiments were carried out to coordinate the relays installed at the Aracati Wind
Complex, owned by Companhia Alupar, in the state of Ceará. From the real system, in operation,
eleven scenarios were subjected to optimization, which differed by characteristics related to the
characteristic curves, the objective function, and the fault conditions. The results indicate a
good performance of the tool and the implementations carried out in the mathematical model.
Solutions that consider inverse time parameters as variables achieved 60% better performance
than those in which the normally inverse curve is a parameter for coordination. The inclusion
of backup relay actuation times proved to be very important as the number of primary/backup
pairs is much higher than the number of relays. The reductions reached 97% when compared
to the model that does not include these times in the objective function. In robust coordination,
the energy not supplied was reduced by up to 70%, which indicates the robustness of the
solution found. This reduction would be capable of supplying 104 households. New studies are
under development to ensure the scalability of the coordination tool and to expand the scope
of the problem also to offshore wind plants
Assunto
Engenharia elétrica, Parque eólico, Sistemas elétricos de potência, Medidores de tensão, Relés de proteção, Heurística
Palavras-chave
Sistema elétrico de potência, Redes de média tensão, Relés de sobrecorrente, Relés de sobrecorrente direcionais, Heurística matemática, Otimização, Coordenação robusta