Avaliação da confiabilidade de sistemas elétricos multiárea: representações, modelos e metodologia de simulação

Abstract

O principal objetivo de um sistema de energia elétrica é atender às necessidades de demanda de carga, de forma contínua, segura e com qualidade. O atendimento destes requisitos é afetado por uma série de fatores que envolvem os elementos que compõem o sistema e a forma como este é operado. Novas fontes de energia de caráter renovável ocupam cada vez mais espaço na matriz energética mundial, impulsionadas pelo esgotamento das fontes convencionais e por fatores socioambientais. Apesar das vantagens, estes recursos energéticos trazem consigo um aumento do nível de incertezas devido à sua variabilidade. Outra questão envolve o fato de sistemas elétricos sob gestão de empresas distintas muitas vezes buscarem operar de forma interconectada, através de linhas de transmissão denominadas interligações. Esta forma de operação, também conhecida como operação multiárea, traz diversas vantagens, como: possibilidade de socorro entre sistemas durante emergências, compartilhamento de reserva e diversificação da matriz energética. Isto tudo se reflete em um ganho de desempenho de cada sistema. Para que o sistema opere de forma otimizada, com menores custos operacionais e baixo risco de falhas de suprimento, são imprescindíveis estudos de planejamento da operação pelos agentes responsáveis. Para que sejam realizados de forma adequada, estes estudos devem dispor de técnicas e modelos apropriados para a representação do comportamento do sistema. Para estudos de confiabilidade de sistemas elétricos de grande porte, a abordagem estocástica via Simulação de Monte Carlo se mostra como a mais adequada, desde que sejam empregados modelos e representações também adequados ao nível de detalhamento esperado. Neste trabalho se propõe uma metodologia para a análise da adequação de sistemas multiárea, da perspectiva da avaliação da reserva operacional de longo prazo, em sistemas com penetração de energia renovável. São considerados os efeitos das incertezas associadas à geração intermitente, e os efeitos da gestão da componente hídrica na capacidade de geração do parque produtor. São ainda apresentadas propostas de representação da rede elétrica, composta pelos múltiplos sistemas interligados. Visando resultados mais detalhados, também é apresentada uma metodologia para análise da capacidade de flexibilidade da reserva operacional em responder às incertezas associadas à operação. Para a verificação do desempenho da operação interligada, é proposto neste trabalho um conjunto de índices que representam as probabilidades e níveis de intercâmbio entre áreas. Devido à dimensão do problema a ser estudado, este trabalho apresenta a aplicação do método da Entropia Cruzada na Simulação de Monte Carlo, visando a avaliação da reserva operacional em sistemas multiárea, com o objetivo de se reduzir o esforço computacional envolvido na análise. Finalmente, são apresentados resultados da utilização do escopo de ferramentas propostas nesta metodologia em sistemas teste selecionados.

Abstract: The main objective of an electric power system is to meet the needs of load demand, continuously, safely and with quality. The fulfillment of these requirements is affected by a series of factors that involve the elements of the system and the way it is operated. New sources of renewable energy are increasing their share in the world energy matrix, driven by the depletion of conventional sources and by socio-environmental factors. Despite the advantages, these energy resources bring with them an increase in the level of uncertainty due to their variable nature. Another issue involves the fact that electrical systems under the responsibility of different agents often seek to operate interconnected, through transmission lines also called tie lines. This form of operation, also known as multi-area operation, has several advantages, such as: the possibility of support systems during contingencies, sharing of reserves and diversification of the energy matrix. This leads to a gain in the performance of each system. For the system to operate optimally, with lower operating costs and a low risk of supply failures, studies of operation planning conducted by the operating agents are essential. In order to be carried out properly, these studies must have appropriate techniques and models for representing the behavior of the system. For reliability studies of large electrical systems, the stochastic approach via Monte Carlo simulation is shown to be the most appropriate, provided that one uses models and representations that are also adequate to the level of detail expected. This work proposes the development of a methodology for the analysis of the adequacy of multi-area systems, from the perspective of the evaluation of the long-term operating reserve, in systems with penetration of renewable energy. The effects of the uncertainties associated with intermittent generation are considered, as well as the effects of the management of the water component on the generation capacity of the system. Proposals for the representation of the electrical network are also presented, composed of multiple interconnected systems. Aiming at more detailed results, a methodology is also presented to analyze the flexibility of the operating reserve in responding to the uncertainties associated with the operation. In order to verify the performance of the interconnected operation, a set of indices that represent the probabilities and levels of power interchange between areas is proposed. Due to the dimension of the problem to be studied, this work presents the application of the Cross-Entropy method to the Monte Carlo Simulation, aiming at the operating reserve assessment in multi-area systems, reducing the computational effort involved in the analysis. Finally, results from the use of the proposed methodology are presented in selected test systems.