Análise do algoritmo de fluxo de potência com estrutura pa-dronizada através de uma base de dados do EPRI

Abstract

A interoperabilidade entre sistemas de informação no setor de distribuição de energia elétrica depende de modelos padronizados como o Common Information Model (CIM), normatizado pela International Electrotechnical Commission. Apresenta-se, neste trabalho, a implementação e a validação experimental de um algoritmo de fluxo de potência trifásico para sistemas de distribuição modelados em CIM/DCIM, com base no perfil CIM 100 do Electric Power Research Institute (EPRI). O algoritmo emprega a varredura backward/forward em coordenadas de fase, formalizada por Leite e Mantovani (2015), e estende o motor desenvolvido por Ferreira (2021) e Souza (2023) com quatro contribuições próprias: a derivação direta das grandezas eletricamente úteis a partir do CIM bruto; a modelagem do transformador como ramo físico da rede, com a relação de transformação incorporada à busca em profundidade; a substituição do critério de convergência em potência por um critério em tensão, indispensável em grandezas físicas do Sistema Internacional; e a correção de um erro de localização regional (locale) na leitura de atributos numéricos do CIM. A validação foi conduzida sobre os três circuitos de teste do EPRI — ckt5, ckt7 e ckt24 —, com análise estatística detalhada do ckt7 em tensão e em corrente, frente ao simulador OpenDSS. Os resultados indicam boa concordância entre os dois simuladores, com leve tendência de superestimação da tensão pelo programa desenvolvido, atribuída a uma diferença de modelagem no equivalente da subestação: o programa mantém a tensão nominal na barra da fonte, ao passo que o OpenDSS considera a queda sob carga em impedância declarada a montante. A corrente de ramo apresentou concordância semelhante nos três circuitos avaliados, confirmando a validade do algoritmo operando em grandezas físicas do SI. As limitações remanescentes e as direções de pesquisa futura são apresentadas no Capítulo 6.

Interoperability between information systems in the electric power distribution sector has come to depend on the adoption of standardized models such as the Common Information Model (CIM), specified by the International Electrotechnical Commission. This work presents the implementation and the experimental validation of a threephase power flow algorithm for distribution systems modeled in CIM/DCIM, based on the CIM 100 profile adopted by the Electric Power Research Institute (EPRI). The algorithm uses the backward/forward sweep method in its three-phase, phase-coordinates formulation by Leite and Mantovani (2015), and extends the engine developed by Ferreira (2021) and Souza (2023) with four original contributions: the direct derivation of the electrically useful quantities from the raw CIM data (the 𝑍௔௕௖ matrix of the lines, the 𝑆 vector per bus, and the physical parameters of the transformers); the modelling of the transformer as a physical branch of the network, incorporating the transformation ratio 𝑎 into the depth-first traversal of the radial tree; the replacement of the convergence criterion |Δ𝑆| < 𝜀 by max|Δ𝑉| < tol௏, which is essential for operation in physical SI units; and the confinement of the CultureInfo.InvariantCulture to the scope of the CIM parser, which prevents the misinterpretation of the decimal separator under a Brazilian Portuguese locale. The validation was carried out on the three EPRI test circuits (ckt5, ckt7 and ckt24), with detailed statistical analysis of circuit ckt7, in both voltage and current, against the OpenDSS simulator output. On the 12.47 kV primary of ckt7, the computed voltage shows a median difference of +0.93% relative to OpenDSS, with all readings within the range of +0.30% to +2.86%; the program stays slightly above the simulator because it holds the substation equivalent at the nominal voltage (1.0 pu), whereas the OpenDSS Vsource, declared at 1.05 pu behind an impedance, has its terminal lowered to about 0.969 pu under the nominal load. The branch current magnitude agrees with a median of ≈ 3.8% on the primary and ≈ 5.4% over the set of lines, within the same range observed for ckt5 (3.8%) and ckt24 (5.0%). The results confirm the validity of the sweep algorithm operating in physical SI units. The remaining limitations, among them the modelling of the EnergySource as a Thévenin branch and the representation of voltage regulation controls, and the future research directions are presented in Chapter 6.