Modelos matemáticos para otimização da confiabilidade de sistemas elétricos de distribuição com geração distribuída

Abstract

sensíveis têm requerido elevados níveis de confiabilidade dos sistemas de distribuição de energia. Em meio a este cenário, a proliferação de geradores distribuídos conectados próximos às cargas evidencia o surgimento de um novo paradigma na produção e utilização da energia elétrica. No entanto, muitos problemas decorrem do fato de que os sistemas de distribuição não foram projetados para incorporar unidades geradoras de energia. A estratégia completa de controle e proteção é definida sob o pressuposto do fluxo unidirecional de potência nos alimentadores. Um dos conflitos mais imediatos que surgem com a penetração da geração distribuída é relacionado ao sistema de proteção, resultado da alteração na magnitude das correntes de falta. Algumas consequências são a perda da sensibilidade e da coordenação da proteção. Se contornados estes problemas, a geração distribuída tem potencial para exercer impacto positivo sobre a confiabilidade, em especial no suporte ao restabelecimento da carga em situações de contingência. Tendo em vista estes fatores, a metodologia proposta adota uma perspectiva multicriterial para otimizar o desempenho dos sistemas de distribuição na presença da geração distribuída. Os indicadores SAIDI, SAIFI e MAIFI são formulados como modelos de otimização que possibilitam a adequação do sistema de proteção às condições operacionais impostas pela geração distribuída. Dentre os aspectos considerados incluem-se a alocação, a seletividade e a coordenação dos dispositivos de proteção. A alocação de chaves de manobras para reconfiguração do alimentador é a estratégia adotada para maximizar o efeito positivo da geração distribuída sobre a confiabilidade. As soluções dos modelos definem os locais de instalação dos dispositivos de proteção e manobras, e os ajustes dos religadores de forma independente para as unidades de fase e terra. A minimização simultânea dos indicadores é formulada como um problema de Programação Linear Inteira Mista por Metas, visando o balanço ótimo entre a redução das interrupções momentâneas e sustentadas nos sistemas de distribuição. Os modelos analíticos dos indicadores são solucionados utilizando um pacote de otimização de uso geral, baseado no método de Branch-and-Bound. A metodologia é avaliada a partir de um estudo de caso, considerando níveis crescentes de penetração da geração distribuída em um alimentador de distribuição real. Os modelos matemáticos são aplicados em cenários distintos de operação do sistema, associados à diferentes restrições econômicas. Os resultados possibilitam a avaliação do impacto da geração distribuída no restabelecimento e na proteção do sistema de forma independente.

The increasing automation of industrial processes and the sensitivity of electronic loads have required high levels of power distribution system’s reliability. In this scenario, the widespread use of distributed generators connected near the loads shows the emergence of a new paradigm in electric energy production and application. However, many problems arise from the fact that the distribution systems were not designed to deal with power generating units. The complete control and protection strategy is defined under the assumption of radial power flow. One of the most immediate conflicts that arise with the penetration of distributed generation is related to the protection system, a result of the change in fault currents magnitude. Some consequences are loss of protection coordination and sensitivity. By addressing these problems, distributed generation has the potential to have a positive impact on distribution reliability, especially in supporting load restoration during system’s contingencies. Considering these factors, the proposed methodology uses a multi-criteria approach to optimize the overall performance of distribution systems in the presence of distributed generation. The reliability indices SAIDI, SAIFI and MAIFI are formulated as optimization models that allow adequacy of the protection system in relation to the operating conditions imposed by distributed generation. The aspects considered include the allocation, selectivity and coordination of protective devices. The allocation of sectionalizing switches for feeder restoration is the strategy to maximize the positive impact of distributed generation on the system reliability. The model solutions provide the protective devices and switches locations, as well as reclosers’ settings for phase and ground units, independently. Reliability indices minimization is formulated as a Mixed Integer Linear Goal Programming problem, in order to establish the optimal trade-off between reducing momentary and sustained interruptions in distribution systems. The analytical models are solved using a general-use optimization package based on the Branch-and-Bound method. The methodology is evaluated through a case study considering increasing levels of distributed generation penetration on a real distribution feeder. The proposed mathematical models are applied in different scenarios of system operation and under different economic constraints. The results allow the evaluation of the impact of distributed generation on restoration and protection of the test system.