1.1 Introdução
Sistemas de energia elétrica, desenvolvidos nos últimos 70 anos, alimentam a energia elétrica de grandes geradores centrais, passando por transformadores de geradores até uma rede interconectada, conhecida como rede de transmissão. Cada unidade geradora individual, seja alimentado por energia hidrelétrica, energia nuclear ou combustível fóssil, possui uma classificação de até 1000 MW. A rede de transmissão é usada para transportar energia elétrica, algumas vezes a distâncias consideráveis, e essa energia é extraída e passada por uma série de transformadores de distribuição para os circuitos finais, para entrega aos clientes finais.
A parte do sistema de energia que fornece energia (as grandes unidades geradoras e a rede de transmissão) possui bons links de comunicação para garantir sua operação efetiva, permitir transações no mercado, manter a segurança do sistema e facilitar a operação integrada dos geradores e os circuitos de transmissão. Essa parte do sistema de energia possui alguns sistemas de controle automático, embora estes possam estar limitados a funções locais discretas para garantir um comportamento previsível pelos geradores e pela rede de transmissão durante grandes distúrbios.
O sistema de distribuição, alimentando a carga, é muito extenso, mas é quase inteiramente passivo, com pouca comunicação e apenas controles locais limitados. Além das cargas muito maiores (por exemplo, em uma usina siderúrgica ou em fundição de alumínio), não há monitoramento em tempo real da tensão oferecida a uma carga ou da corrente consumida por ela. Há muito pouca interação entre as cargas e o sistema de energia, além do fornecimento de energia de carga sempre que exigida.
A atual revolução nos sistemas de comunicação, particularmente estimulada pela Internet, oferece a possibilidade de um monitoramento e controle muito maiores em todo o sistema de energia e, portanto, uma operação mais eficaz, flexível e de menor custo. O Smart Grid é uma oportunidade de usar novas TICs (Tecnologias de Informação e Comunicação) para revolucionar o sistema de energia elétrica. No entanto, devido ao enorme tamanho do sistema de energia e à escala de investimentos realizados ao longo dos anos, qualquer mudança significativa será cara e requer justificativa cuidadosa. Os medidores inteligentes são um importante elemento da rede inteligente, pois eles podem fornecer informações sobre as cargas e, portanto, a energia flui por toda a rede. Depois que todas as partes do sistema de energia são monitoradas, sua o estado se torna observável e surgem muitas possibilidades de controle.
1.2 Por que implementar o Smart Grid agora?
Vários motivos levam ao interesse no Smart Grid:
1) Ativos envelhecidos e falta de capacidade do circuito: os equipamentos de transmissão e distribuição precisam serem substituídos;
2) Restrições térmicas: capacidade de transferência de energia;
3) Restrições operacionais: qualquer sistema de energia opera dentro dos limites de tensão e frequência prescritos;
4) Segurança do fornecimento: a sociedade moderna exige um fornecimento de eletricidade cada vez mais confiável, pois cada vez mais cargas estão conectadas; e
5) Iniciativas nacionais: governos (China, União Europeia, Japão, Reino Unido e Estados Unidos) estão incentivando iniciativas de redes inteligentes como uma maneira econômica de modernizar sua infraestrutura de sistemas de energia, permitindo a integração de sistemas de baixo carbono e recursos energéticos. O desenvolvimento da rede inteligente também é visto em muitos países como uma importante oportunidade econômica/comercial para desenvolver novos produtos e serviços.
1.2 O que é o Smart Grid?
O conceito Smart Grid combina muitas tecnologias, soluções para o usuário final e aborda muitos fatores reguladores e de políticas. Não possui uma única definição clara. A Plataforma Tecnológica Européia define a Rede Inteligente como: “Uma Rede Inteligente é uma rede elétrica que pode integrar de maneira inteligente as ações de todos os usuários conectados a ela - geradores, consumidores e aqueles que fazem as duas coisas - para fornecer de maneira eficiente, sustentável, econômica e segura fornecimento de eletricidade.”
De acordo com o Departamento de Energia dos EUA: “Uma rede inteligente usa tecnologia digital para melhorar a confiabilidade, segurança e eficiência (econômica e energética) do sistema elétrico de grande geração, através dos sistemas de transmissão de eletricidade e um crescente número de recursos distribuídos de geração e armazenamento".
Em Smarter Grids: The Opportunity, o Smart Grid é definido como: “Uma rede inteligente que utiliza sensor, processamento embutido e comunicações digitais para permitir que a rede elétrica seja observável (passível de ser medida e visualizada), controlável (passível de manipulado e otimizado), automatizado (capaz de se adaptar e auto reparar), totalmente integrado (totalmente interoperável com os sistemas existentes e com capacidade de incorporar um conjunto diversificado de fontes de energia). ”
1.4 Iniciativas iniciais de redes inteligentes
1.4.1 Redes de distribuição ativas
Existem muitas características da rede de distribuição simples com geração distribuída (DG) que diferem de uma rede de distribuição passiva típica. Primeiro, o fluxo de energia não é unidirecional. A direção dos fluxos de energia e as magnitudes de tensão na rede dependem da demanda e da geração injetada. Segundo os geradores distribuídos dão origem a uma ampla gama de correntes de falha e, portanto, configurações complexas de proteção e coordenação são necessárias para proteger a rede. Terceiro, o fluxo de energia reativa na rede pode ser independente dos fluxos de energia ativos. Quarto, muitos tipos de DGs fazem interface com a eletrônica de potência e podem injetar harmônicos na rede.
O esquema de controle adequado para alcançar as funções de controle ativo, um DMSC (Distribution Management System Controller) avalia as condições da rede e toma medidas para controlar as tensões e fluxos da rede. O DMSC obtém medições da rede e envia sinais para os dispositivos sob seu controle. As ações de controle podem ser uma operação de derivação do transformador, alterando a saída do DG e a injeção / absorção de energia reativa. As principais funções do DMSC são estimativa de estado, detecção de dados incorretos e cálculo de configurações de controle ideais.
O DMSC recebe um número limitado de medições em tempo real em intervalos definidos dos nós da rede. As medições são normalmente tensão, injeções de carga e medições de fluxo de energia da subestação primária e outras subestações secundárias. Essas medições são usadas para calcular as condições operacionais da rede. Além dessas medições em tempo real, o DMSC usa modelos de carga para prever injeções de carga em cada nó da rede por um determinado período que coincida com as medições em tempo real. A topologia e as impedâncias da rede também são fornecidas ao DMSC. O estimador de estado usa esses dados para avaliar as condições da rede em termos de magnitudes de tensão do nó, fluxos de energia da linha e injeções da rede. As medições incorretas que chegam ao sistema serão filtradas usando métodos de detecção e identificação de dados incorretos.
Quando as condições operacionais da rede são avaliadas, o algoritmo de controle identifica se a rede está operando dentro de seus limites permitidos. Normalmente, isso é avaliado analisando as magnitudes de tensão da rede em cada barramento. O algoritmo de otimização é fornecido com as opções de controle ativo disponíveis, os limites desses controles e as restrições operacionais da rede. Os limites dos controles são as configurações mais altas e mais baixas permitidas do equipamento. As restrições de operação são geralmente limites de tensão e classificações térmicas das linhas e equipamentos. O algoritmo de controle ideal calcula as configurações de controle necessárias e otimiza as configurações do dispositivo sem violar restrições e limites operacionais. A solução do algoritmo de controle são os cronogramas de controle ideais que são enviados aos dispositivos conectados à rede.
1.4.2 Central elétrica virtual
Os recursos de energia distribuída (DER), como micro geração, geração distribuída, veículos elétricos e dispositivos de armazenamento de energia estão se tornando mais numerosos devido às muitas iniciativas para descarbonizar o setor de energia. Os DERs são pequenos e numerosos demais para serem tratados de maneira semelhante aos geradores centrais e geralmente são conectados à rede com base em "conexão e esquecimento". O conceito de uma Central Elétrica Virtual (VPP) é agregar muitos pequenos geradores em blocos que podem ser controlados pelo operador do sistema e, em seguida, sua produção de energia é comercializada. Ao agregar os DERs em um portfólio, eles se tornam visíveis ao operador do sistema e podem ser ativamente controlados. A produção agregada do VPP é organizada para ter características técnicas e comerciais semelhantes às de uma unidade central de geração.
O conceito de VPP permite que os DERs individuais obtenham acesso e visibilidade nos mercados de energia. Além disso, os operadores do sistema podem se beneficiar do uso ideal de toda a capacidade disponível conectada à rede.
O tamanho e a composição tecnológica de um portfólio de VPP têm um efeito significativo nos benefícios da agregação observados por seus participantes. Por exemplo, a flutuação da produção de energia eólica pode diminuir o valor da energia vendida, mas a variação diminui com o aumento da distância geográfica entre os parques eólicos. Se um VPP monta a geração em uma variedade de tecnologias, a variação da produção agregada desses geradores provavelmente reduzirá.
1.4.3 Outras iniciativas e demonstrações
Iniciativa elétrica Galvin: é uma iniciativa que começou em 2005 para definir e alcançar um "perfeito sistema de energia". O sistema de energia perfeito é definido como: “O sistema de energia perfeito garantirá disponibilidade e energia absolutas e universais na quantidade e qualidade necessárias para atender às necessidades de cada consumidor". A filosofia de um sistema de energia perfeito difere da maneira como os sistemas de energia são tradicionalmente projetados e construídos, o que assume uma probabilidade de falha no fornecimento aos clientes, medida por uma métrica de confiabilidade, como a probabilidade de perda de carga (LOLP). A consideração do LOLP mostra que um sistema de energia completamente confiável só pode ser fornecido usando uma quantidade infinita de usina a um custo infinito.
IntelliGrid: a iniciativa IntelliGrid da EPRI, está criando uma base técnica para o Smart Grid, tem uma visão de um sistema de energia que possui os seguintes recursos:
é constituído por inúmeros sistemas automatizados de transmissão e distribuição, todos operando de maneira coordenada, eficiente e confiável;
lida com condições de emergência com ações de "autocorreção" e responde às necessidades da empresa de negócios de energia e mercado de serviços públicos;
atende a milhões de clientes e possui uma infraestrutura de comunicações inteligente, permitindo o fluxo de informações oportuno, seguro e adaptável necessário para fornecer energia econômica e confiável à economia digital em evolução.
Smart Grid da Xcel energy: a visão de uma rede inteligente inclui "Um sistema totalmente conectado à rede que identifica todos os aspectos da rede elétrica e comunica seu status e o impacto das decisões de consumo (incluindo impactos econômicos, ambientais e de confiabilidade) aos sistemas automatizados de tomada de decisão nessa rede".
A estratégia de rede inteligente do sul da Califórnia Edison (SCE) abrange cinco temas estratégicos: integração de recursos de energia renovável e distribuída, controle de grade e otimização de ativos, eficácia da força de trabalho, medição inteligente e soluções de clientes inteligentes em energia. A SCE prevê que esses temas abordem um amplo conjunto de requisitos de negócios para melhor posicioná-los para atender aos desafios atuais e futuros de fornecimento de energia. Até 2020, a SCE terá 10 milhões de dispositivos inteligentes, como medidores inteligentes, aparelhos inteligentes de energia e dispositivos de clientes, veículos elétricos, DERs, inversores e tecnologias de armazenamento que estão ligadas à rede, fornecendo informações sensoriais e respondendo automaticamente a preços/sinais de eventos.
A SCE iniciou um programa de conexão de medidor inteligente, no qual 5 milhões de metros serão implantados de 2009 a 2012. Os principais objetivos deste programa incluem agregar valor por meio de informações e iniciar novas parcerias com clientes. Os serviços e informações que eles fornecerão incluem cobrança por intervalos, taxas diferenciadas e taxas com base no tempo de uso.
1.5 Visão geral das tecnologias necessárias para o Smart Grid
Para atender aos diferentes requisitos do Smart Grid, as seguintes tecnologias facilitadoras devem ser desenvolvidas e implementadas:
1. Tecnologias da informação e comunicação;
2. Tecnologias de detecção, medição, controle e automação;
3. Eletrônica de potência e armazenamento de energia.
Referência
EKANAYAKE, Janaka B. et al. Smart grid: technology and applications. John Wiley & Sons, 2012.
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