Análise de curto-circuito em sistemas de distribuição através da matriz de impedância nodal e do OpenDSS

Abstract

Com a transição dos sistemas elétricos para as redes inteligentes (smart grids) e redes ativas de distribuição, a teoria clássica das componentes simétricas perde a sua validade e eficácia do ponto de vista computacional. Isto acontece porque os desequilíbrios severos, a falta de transposição dos cabos e as segmentações monofásicas criam acoplamentos mútuos fortes entre as fases, exigindo métodos mais complexos, dependentes das fases. O objetivo central desse trabalho é a implementação e validação do método da matriz de impedância nodal para o cálculo de correntes de curto-circuito nestas redes de distribuição de energia elétrica. Para garantir o rigor da metodologia proposta, o simulador OpenDSS foi adotado como padrão de referência e base de calibração para a avaliação comparativa. O algoritmo principal foi desenvolvido em C# e calcula, numa primeira fase, o fluxo de potência através do método de varredura (com formulação de soma de potência) expandido para o domínio das fases. Em seguida, o cálculo analítico do curto-circuito é executado diretamente com o auxílio da matriz de impedância nodal. O desempenho e a precisão do algoritmo foram testados através da simulação em redes de 25, 135 e 1074 barras. A comparação entre os resultados gerados pelo algoritmo criado e os dados de referência do OpenDSS demonstrou que os erros percentuais para as grandezas de tensão e de corrente elétrica se mantiveram em escalas muito reduzidas.

With the transition of electrical systems toward smart grids and active distribution networks, classical symmetrical component theory loses its validity and computational effectiveness. This occurs because severe imbalances, the absence of cable transposition, and single-phase segments create strong mutual coupling between phases, necessitating more complex, phase-dependent methods. The primary objective of this work is to implement and validate the nodal impedance matrix method for calculating short-circuit currents in these electric power distribution networks. To ensure the rigor of the proposal, the OpenDSS simulator was adopted as the reference standard and baseline methodology for comparative assessment. The main algorithm was developed in C#; in the first stage, it calculates power flow using a sweep method (based on power summation formulation) extended to the phase domain. Subsequently, the analytical short-circuit calculation is performed directly using the nodal impedance matrix. The algorithm's performance and accuracy were tested through simulations on 25-bus, 135-bus, and 1074-bus networks. A comparison between the results generated by the developed algorithm and the OpenDSS reference data demonstrated that the percentage errors for voltage and current magnitudes remained very low.