Introdução

O Action˳NET dispõe de uma solução para a gestão de microgrids com um algoritmo para otimizar a função objetivo a ser alcançada.

Esta solução permite executar os seguintes procedimentos:

1. Modelar qualquer microgrid utilizando o programa OpenDSS;

2. Importar, automaticamente, o modelo para o SCADA Action˳NET orientado a soluções de microgrid;

3. Gerar, automaticamente, a base de dados do modelo importado e as telas com o unifilar e geral e telas detalhe dos dispositivos que compõe a microgrid (Geradores, bancos de bateria, plantas solares, etc.);

4. Entrar com as funções restritivas do modelo importado, tais como tensões limítrofes, corrente máxima, demanda máxima, preço da energia, etc.;

5. Em módulo estudos, realizar todas as simulações da microgrid, tanto em modo “Snapshot”, como em modo “Daily”;

6. Em modo tempo real, simular o comportamento do sistema, com dados simulados semelhantes aos reais;

7. Finalmente, após a avaliação do sistema, executar o sistema com dados reais, oriundos do campo e deixe o sistema otimizar a função objetivo definida, em situações reais de gestão da microgrid.

Em função do modelo de microgrid e de suas funções características, adequa-se o algoritmo de otimização e, após os testes do modelo, passa-se a ter um sistema que automaticamente faz o controle daquele modelo em diferentes clientes.

Apresentação do OpenDSS

O Open Distribution System Simulator (OpenDSS) é um software de simulação para sistemas de distribuição de energia elétrica desenvolvido e suportado pelo EPRI. O programa suporta a maioria das análises em regime permanente, comumente realizadas para estudo e planejamento de sistemas de distribuição, como também é capaz de realizar novos tipos de análises que são necessárias para atender as necessidades relacionadas as Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids).

Muitos dos recursos encontrados no programa foram originalmente destinados a dar suporte às necessidades de análises de sistemas de geração distribuída (GD). Outros recursos dão suporte à análise de eficiência energética do transporte de energia e análise harmônica.

Por fim, o OpenDSS foi projetado para ser indefinidamente expansível de tal modo que possa ser facilmente modificado para atender as necessidades futuras ou para atender as necessidades específicas dos usuários.

Ele pode se integrar a diversos ambientes de desenvolvimento, sendo hoje integrado ao SCADA Action˳NET através de um módulo opcional.

Apresentação da Solução

Modelo de Microgrid usada na Aplicação Exemplo

Conforme descrito na introdução, a solução é adaptada para cada modelo de microgrid a ser gerenciada.

Para a apresentação desta solução criou-se uma microgrid hipotética composta de um posto de gasolina e um restaurante conectados à rede de distribuição. Tanto o posto como o restaurante têm um quadro de distribuição com um conjunto de cargas.

Figura 1 – Exemplo de unifilar do microgrid.

Este par (Posto/Restaurante), como pode ser visto no unifilar apresentado na figura 1, possui um grupo gerador e uma bateria e, em função do preço da energia da distribuidora pode-se:

1. Carregar a bateria a partir da distribuidora e/ou do grupo gerador;

2. Alimentar o sistema através dessas duas fontes de energia e exportar a energia excedente para a distribuidora;

3. Alimentar o sistema a partir da bateria e exportar a energia excedente para a distribuidora;

4. Alimentar o sistema a partir do grupo gerador e exportar a energia excedente para a distribuidora.

A função objetivo do sistema é minimizar o custo da energia do par posto/restaurante, considerando o preço da energia da distribuidora a cada hora e o preço da energia gerada através do grupo gerador, a cada hora, considerando seu consumo e o preço do combustível.

Além de minimizar o preço diário da energia, a função objetivo deve também respeitar restrições elétricas do sistema tais como:

1. Potência aparente máxima;

2. Fator de potência mínimo;

3. Corrente máxima;

4. Range de tensão mínima e máxima do sistema;

5. Contrato de demanda do posto/restaurante;

6. Custo contratado quando o limite da demanda é ultrapassado.

A função objetivo, neste caso, otimiza a operação minimizando as perdas do sistema e seu custo operacional.

Configuração do Sistema no SCADA

Após a modelagem da microgrid, dentro do programa OpenDSS Importa-se esta rede modelada, automaticamente, para o programa Action˳NET - Grid˳NET, que é o SCADA já adaptado para desenvolvimento de soluções de gestão de Microgrid.

Quando se ativa o programa, é aberta a janela mostrada na figura 2.

Figura 2 – Tela de abertura do programa

Na sequência, seleciona-se o modo configuração visando importar a microgrid modelada através do OpenDSS para o ambiente do SCADA.

Quando o sistema entra em modo configuração, conforme figura 3, no topo a direita, são mostrados quatro botões:

O 1⁰ botão apresenta o manual de importação do OpenDSS explicando como estruturar estes arquivos e em que diretório eles devem ser colocados. O 2⁰ botão importa os arquivos modelados no OpenDSS. A figura 3 mostra a tela do SCADA após esta importação. O   3⁰ botão gera, automaticamente, os tags do Action˳NET associados a cada circuito da microgrid e, finalmente, o 4⁰ botão cria, automaticamente, a tela com o unifilar da microgrid.

Na tela de configuração, mostrada na figura 3, existem três seções:

1. Elementos: logo após a importação da microgrid, como mostrado na figura, em “Elements”, está aberta uma combo-box onde estão todos os elementos que a compõe. Cada linha apresenta um elemento da microgrid modelada com seus atributos.

2. Definição dos parâmetros de referência: são definidos os parâmetros de referência da microgrid, usados para criar as restrições elétricas que devem ser consideradas tais como as tensões limítrofes, o mínimo fator de potência, a potência aparente da cabine primária do transformador, a demanda contratada e seu custo, etc.

3. Preço da energia da concessionária de distribuição: No caso da microgrid conectada a uma concessionária, o preço da energia a cada hora.

Observar que em função da microgrid a ser gerenciada e da sua função objetivo, esta tela de configuração poderá ser alterada, quanto aos itens (2) e (3).

Figura 3 – Tela de configuração da microgrid, após importação do modelo.

 Após ter feito a configuração da microgrid, conforme mostrado na figura 4, o usuário retorna a tela de abertura e seleciona o modo processo.

Figura 4 – Sair da tela de configuração clicando no ícone de usuário (vide imagem).

Barra de Ferramentas da Aplicação

Em todas as telas da aplicação é mostrado no topo superior da tela a barra de ferramentas com botões conforme descrito a seguir:

Modo Processo/Estudos-Snapshot

Na sequência entra-se em modo processo em que existem dois modos operacionais: modo estudos, que permite analisar o comportamento da rede em função dos dados de entrada e de simulações de condições operacionais e modo otimização que lê os dados em tempo real e executa o algoritmo de otimização do comportamento da microgrid.

Quando se seleciona o modo processo, o sistema entra em modo otimização, como mostrado abaixo. Como não existem dados do campo está tudo zerado.

Figura 5 – Modo processo - Otimização.

Selecionando o modo estudo, como mostrado na figura 6, o sistema entra em modo simulação/snapshot. Nesse modo, pode-se trabalhar em snapshot ou daily:

• Snapshot: é tirada uma foto do sistema em um dado instante do dia e pode-se estudar o comportamento da microgrid neste instante, após ser executado o fluxo de potência, através dos relatórios do OpenDSS disponíveis (reports);

• Daily: Seleciona-se uma hora do dia a ser estudada, em função da curva de carga do sistema a partir da zero hora até este momento.

Figura 6 – Modo processo/estudos - Snapshot.

 Na figura acima, o sistema está com carga máxima, comprando energia da concessionária, o gerador produzindo energia também e a bateria sendo carregada.

Pode-se atuar no sistema, reduzindo cargas, atuando-se nos disjuntores, etc. e após roda-se o fluxo de potência e analisa-se o sistema naquele instante.

Clicando sobre um elemento da microgrid pode-se verificar seus parâmetros, como mostrado na figura abaixo onde o usuário clicou com o botão esquerdo do mouse sobre o nome da concessionária de distribuição (GRAAL).

Figura 7 – Modo processo/Estudos- Snapshot/Atributos do elemento GRAAL.

A figura 8 mostra um relatório do OpenDSS da potência em cada circuito do sistema. Observe que são disponibilizados 13 relatórios do OpenDSS no modo de estudos, para que o usuário analise o comportamento da microgrid.

Figura 8 – Exemplo de um relatório gerado em Modo processo/Estudos- Snapshot.

Modo Processo/Estudos – Daily

Em modo Daily, seleciona-se uma hora do dia e executa-se o fluxo de potência do início do dia até o horário definido. Na figura abaixo, descrevem-se as funções da barra de ferramentas para o modo daily: 

1. Vai para modo tempo real.

2. Seleciona modo Snapshot/Daily.

3. Intervalo do passo.

4. Hora de fim do estudo.

5. Relatórios OpenDSS disponíveis.

6. Roda fluxo de potência para o intervalo definido.

7. Curva de carga (posto e restaurante).

8. Coloca medidores em cada elemento da microgrid.

9. Coloca monitor em elemento da microgrid.

10. Retira/Insere rede da concessionária.                                                                       

Por exemplo, na figura abaixo executou-se o fluxo de potência de todo o dia, isto é, do início do dia até às 24 horas.

Figura 9 – Sistema em modo processo/Estudos - Daily.

A seguir são mostrados alguns exemplos de estudos feitos em modo daily:

1. A figura 10 mostra a curva de carga do posto de gasolina e do restaurante para o estudo [0, 24h];

2. A figura 11 mostra a inserção de medidores em cada elemento da Microgrid. No eixo X temos os registros, onde cada registro é uma variável da microgrid e no eixo Y temos os 15 circuitos da Microgrid;

3. A figura 12 mostra dois monitores mostrando a potência P1 em dois circuitos: CPFLPRITF1C4 e QTAQSCGRC1 durante as 24 horas;

4. A figura 13 mostra o ilhamento do sistema, após ser desligado o disjuntor de interligação da concessionária;

5. Desligamos a carga do restaurante e monitoramos a carga no circuito CPFLPRITF1C2. Observe que o sistema passa a vender energia para a concessionária de distribuição. Setas vermelhas exportando energia para a concessionária.

Figura 10 – Curva de Carga do Posto de Gasolina e do Restaurante.

Figura 11 – Medidores colocados em cada elemento da Microgrid.

Figura 12 – Dois monitores colocados em 2 circuitos da microgrid.

Figura 13 – Ilhamento do sistema e curva de carga do posto de gasolina após ilhamento.

Figura 14 – A carga do restaurante é retirada e mostramos a potência no circuito CPFLPRITF1C2.

Modo Processo/Otimização

Após estudar a microgrid em todas as condições desejadas, o sistema pode ser ativado em modo Otimização quando, em tempo real, deverá otimizar a função objetivo da microgrid.

A figura 15 mostra o programa executando em tempo real, no modo simulação, quando são simuladas as entradas para o horário atual.

Figura 15 – Microgrid em Tempo Real, modo simulação das entradas. 

Relatório de Otimização

Finalmente, na figura 16 é mostrado o resultado da execução do algoritmo de otimização durante 24 horas. Nenhuma função restritiva foi transgredida, isto é, a tensão esteve dentro dos limites definidos, a demanda máxima não foi ultrapassada, o fator de potência sempre esteve acima do limite mínimo, etc. Quando qualquer penalidade é registrada, o número de penalidades é incrementado e a respectiva penalidade é sinalizada em cor diferente. O custo operacional da energia é registrado e é mostrado o período do dia que a bateria estava sendo carregada e o período que ela alimentou as cargas. No modelo apresentado, obteve-se uma redução do custo da energia na ordem de 20%.

Figura 16– Resultado da execução do algoritmo de otimização.

Conclusões

A solução para qualquer microgrid semelhante a apresentada no exemplo, está pronta, bastando o usuário alterar seus atributos caso existam algumas condições diferentes, como uma bateria ou um grupo gerador diferente do elemento modelado, uma concessionária de distribuição com outra planilha de preço/hora, cargas e transformador diferentes dos modelados, etc.

No caso de uma microgrid diferente onde, por exemplo, exista uma geração fotovoltaica além do gerador, será necessário fazer uma nova modelagem, um novo unifilar e a função objetivo poderá ser alterada, assim como os parâmetros de referência poderão ser alterados.

Na adequação do sistema para cada nova microgrid, será necessário desenvolver uma nova função objetivo, programando-se em C#, VB˳NET ou Python. Além disso, pode ser necessário alterar a tela de configuração do SCADA para adequar as restrições que devem ser respeitadas, assim como alterar o relatório de otimização para refletir a nova função objetivo com suas restrições.

Mas uma vez concluída a nova microgrid, a solução estará pronta para este segundo modelo de microgrid e poderá ser repetido para redes similares, mas com atributos diferentes, bastando alterar estes últimos.