Modelagem de componentes de sistemas de distribuição de energia elétrica para cálculo de fluxo de potência e curto-circuito
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Data
2022
Autores
Levano Vergara, Raúl Alejandro
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
A grande quantidade de interrupções de fornecimento elétrico é devido às falhas que ocorrem nos sistemas de distribuição. Para minimizar os efeitos que uma falta simples pode ocasionar em termos de interrupção de serviço, as empresas distribuidoras de energia têm adotado a solução técnica de operar suas redes de distribuição de forma fracamente malhada. A análise do efeito destas faltas em sistemas de distribuição é realizada através do cálculo de curto-circuito. O cálculo de curto-circuito determina a magnitude da corrente que um sistema é capaz de produzir em situações de faltas, sendo utilizado para a seleção e dimensionamento de equipamentos, assim como para estabelecer uma adequada seletividade e coordenação da proteção. Para obter valores exatos no cálculo das correntes de curtos-circuitos é necessário o cálculo de fluxo de potência pré-falta e considerar modelos exatos dos componentes conectados na rede, como o gerador síncrono. Estes modelos são importantes para estudos onde é necessário observar o desequilíbrio nas variáveis de estado como ocorre num sistema de distribuição, que é inerente e construtivamente desequilibrado. Para diferentes aplicações em sistemas de distribuição, nas quais são utilizados os cálculos de fluxo de potência e curto-circuito, é necessária uma modelagem trifásica dos elementos, porque os sistemas de distribuição modernos e reais caracterizam-se por serem trifásicos, desbalanceados e apresentar geração distribuída. O método clássico de cálculo de curtocircuito é baseado no método de componentes simétricas, que desconsidera o acoplamento inerente em sistemas de distribuição trifásicos desbalanceados. Neste trabalho, propõem-se novos algoritmos para o cálculo de fluxo de potência e corrente de curto-circuito em sistemas de distribuição trifásicos, malhados e desbalanceados, considerando os acoplamentos magnéticos. A validação destes algoritmos é realizada através de uma metodologia desenvolvida para localização de faltas em redes de distribuição que utiliza algoritmos de fluxo de potência e cálculo de correntes de curtos-circuitos, e que exige precisão e qualidade dos resultados fornecidos por estes algoritmos. Resultados são obtidos para um sistema de 135 barras comumente utilizado na literatura que comprovam a eficiência e adequação dos algoritmos e modelos desenvolvidos nestes trabalhos para aplicações em controle e planejamento de sistemas elétricos de distribuição.
Large supply energy service disruption is mainly caused due to faults and system failure in the electrical distribution network. Particularly, faults effects mitigation in terms of supply energy service disruption has been widely addressed by weakly meshed distribution networks in utilities. The fault study for electrical distribution networks is carried out by the short-circuit analysis. The short-circuit analysis provides information of the magnitude of the short-circuit current that the distribution network is capable to produce when it comes to fault occurrence. This current information serves for selection and equipment dimension as well as coordination and selectivity of device protection. This short-current magnitude requires a computation of a pre-fault power flow analysis and an accurate representation of power system elements such as the synchronous generator. The importance of these elements modelling relies on the fact that an electrical distribution network is inherently unbalanced, thus, a detailed representation of these elements provides a better understanding of their unbalance in variables state. Therefore, a three-phase representation of the electrical distribution network becomes essential for a power flow analysis and shortcircuit analysis. Moreover, a modern three-phase power system is an unbalanced system integrated with distributed generation. A well-known method for short-circuit analysis is based on symmetrical component computation. This method considers an inherent coupling for the unbalanced three-phase electrical distribution network. In this pathway, this work contribution is to propose novel algorithms for power flow computation and short-circuit analysis for unbalanced-meshed considering magnetic coupling in electrical distribution networks. The assessment of the proposed method is carried out by developing a methodology for fault location in electrical distribution networks using power flow computation algorithms as well as the short-circuit analysis aiming high quality and accuracy results. Tests in a well-known 135-bus electrical distribution system validate the efficiency and adequacy of the proposed method and algorithms for control applications and planning of the electrical distribution network.
Large supply energy service disruption is mainly caused due to faults and system failure in the electrical distribution network. Particularly, faults effects mitigation in terms of supply energy service disruption has been widely addressed by weakly meshed distribution networks in utilities. The fault study for electrical distribution networks is carried out by the short-circuit analysis. The short-circuit analysis provides information of the magnitude of the short-circuit current that the distribution network is capable to produce when it comes to fault occurrence. This current information serves for selection and equipment dimension as well as coordination and selectivity of device protection. This short-current magnitude requires a computation of a pre-fault power flow analysis and an accurate representation of power system elements such as the synchronous generator. The importance of these elements modelling relies on the fact that an electrical distribution network is inherently unbalanced, thus, a detailed representation of these elements provides a better understanding of their unbalance in variables state. Therefore, a three-phase representation of the electrical distribution network becomes essential for a power flow analysis and shortcircuit analysis. Moreover, a modern three-phase power system is an unbalanced system integrated with distributed generation. A well-known method for short-circuit analysis is based on symmetrical component computation. This method considers an inherent coupling for the unbalanced three-phase electrical distribution network. In this pathway, this work contribution is to propose novel algorithms for power flow computation and short-circuit analysis for unbalanced-meshed considering magnetic coupling in electrical distribution networks. The assessment of the proposed method is carried out by developing a methodology for fault location in electrical distribution networks using power flow computation algorithms as well as the short-circuit analysis aiming high quality and accuracy results. Tests in a well-known 135-bus electrical distribution system validate the efficiency and adequacy of the proposed method and algorithms for control applications and planning of the electrical distribution network.
Descrição
Palavras-chave
Fluxo de potência trifásico desbalanceado, Curto-circuito em sistemas de distribuição, Modelo trifásico do gerador síncrono, Transformador trifásico, Regulador de tensão trifásico, Localização de faltas em sistemas de distribuição, Unbalanced-three phase power flow, Short-circuit analysis for electrical distribution networks, Synchronous generator three-phase modelling, Three-phase transformer, Three-phase voltage regulator, Fault location in electrical distribution networks