Extração de informações de infraestruturas avançadas de medições em sistemas modernos de energia elétrica – Power Quality Data Analytics

Uma característica importante dos sistemas modernos de energia elétrica é a disponibilidade de uma infraestrutura avançada de medição (em inglês: AMI – Advanced Metering Infrastructure). A adoção dessa infraestrutura permitirá avanços disruptivos e desenvolvimento de técnicas inovadoras para transformar os dados coletados em informações úteis para tomada de decisão e gerenciamento ativo desses sistemas elétricos, tanto em termos de planejamento, quanto em termos de operação e monitoramento de equipamentos. Nessas infraestruturas avançadas de medição, os seguintes dados tipicamente estão disponíveis:

• Medição SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): magnitude de tensão e corrente na frequência fundamental, potência ativa e reativa, coletados em pontos específicos da rede (início de alimentador, religadores, chaves telecomandadas etc.), com resolução temporal da ordem de segundos até minutos e informações sobre status de chaves e equipamentos;
• Medição inteligente de faturamento: estes medidores coletam informações para fins de faturamento e são instalados em unidades consumidoras (sendo, portanto, muito mais numerosos e dispersos que os medidores e sensores indicados no item anterior), com resolução temporal da ordem de minutos (valores típicos são 5, 15, 60 minutos);
• Medição de qualidade de energia (qualímetros convencionais): coleta magnitude (valores rms) e ângulo de tensão e corrente tanto na frequência fundamental quanto em frequências harmônicas, além de formas de onda de eventos. São instalados em pontos específicos da rede e podem armazenar informações com resolução temporal de poucos segundos;
• Medição de forma de onda ininterrupta (gapless): coleta formas de onda de tensão e corrente puras, de forma ininterrupta, com taxas de amostragem típicas de 32 a 128 amostras por ciclo. Assim como os qualímetros convencionais, são instalados em pontos específicos da rede, tais como no início de alimentadores.

Com a presença desses sistemas avançados de medição, capazes de fornecer dados detalhados e granulares (como a forma de onda não processada), é possível desenvolver uma série de novas metodologias capazes de transformar tais dados em informações relevantes para monitoramento ativo de equipamentos e da rede elétrica como um todo. Reconhecendo a relevância desta área emergente, o IEEE estabeleceu recentemente o Working Group on Power Quality Data Analytics para liderar e concentrar os esforços de coleta de informações, tais como assinaturas típicas de falhas de equipamentos e desenvolvimento de metodologias de processamento de dados para extração de informação útil de medições. Nesse contexto, Power Quality Data Analytics é definida como uma subárea da qualidade de energia especializada em coletar dados de medição, processá-los, extrair informações úteis e aplicar os resultados para solucionar diferentes problemas em sistemas elétricos, tais como:

• Qualidade de energia;
• Proteção de sistemas de energia;
• Monitoramento ativo da condição operativa de equipamentos e de redes elétricas.

A figura a seguir apresenta algumas das potenciais aplicações que podem ser vislumbradas com o avanço de pesquisas científicas e tecnológicas neste tema. O universo de aplicação é extenso, cobrindo desde o monitoramento de equipamentos individuais até o gerenciamento ativo de redes elétricas, bem como podendo ser aplicado desde a gestão de ativos das concessionárias até o monitoramento de equipamentos individuais dos consumidores. Tal área se encaixa perfeitamente em um dos motes primordiais das redes elétricas inteligentes: from generators to refrigerators. Nos parágrafos seguintes, são discutidos alguns exemplos concretos de aplicações que podem se beneficiar de informações de medição.

Gerenciamento de ressonâncias em parques eólicos: medições de tensões e correntes harmônicas com resolução temporal de alguns minutos no ponto de acoplamento de um parque eólico com a rede podem ser utilizadas para monitorar o risco de ressonâncias harmônicas mal amortecidas nestes parques e, desta forma, evitar sua ocorrência. Isto é possível, pois estas medições de tensão e corrente harmônicas permitem antecipar a resposta do parque eólico à conexão, por exemplo, de um banco de capacitores em derivação dentro do próprio parque, ou na rede elétrica próxima ao parque.

Detecção e localização de perdas não técnicas: dados de medidores inteligentes instalados em consumidores também podem ser utilizados para combate de perdas não técnicas, tanto em redes de distribuição de média tensão quanto em redes de baixa tensão, empregando, por exemplo, técnicas avançadas de estimação de estado, visto que tipicamente a principal forma de fraude consiste na alteração das medições de potência ativa.

Gestão automatizada da base GIS: atualmente, a base GIS é fundamental tanto para o planejamento quanto para a operação dos sistemas de distribuição. Contudo, a quantidade de erros existentes nessas bases de dados é significativa, afetando a qualidade do processo de tomada de decisão. Os dados provenientes dos medidores inteligentes de faturamento podem ser empregados juntamente com técnicas de Data Science para correção automática e periódica desses sistemas, impactando positivamente diversos setores das empresas de distribuição, desde a engenharia, passando pela operação e alcançando até o setor comercial.

Antecipação de curtos-circuitos e defeitos: medições de forma de onda de corrente podem ser utilizadas para detectar o início do processo de degradação ou ruptura do isolamento de cabos subterrâneos, condutores aéreos, transformadores etc., o qual, se não identificado rapidamente, pode evoluir para um curto-circuito permanente na rede. Este processo de degradação manifesta-se na forma de picos de corrente de curtíssima duração (menos de um ciclo) e que geralmente ocorrem repetidas vezes antes da ruptura permanente (ou temporária, no caso de redes áreas) da isolação. Se estes curtos-circuitos incipientes forem identificados pelo sistema de medição e monitoramento, é possível realizar manutenção preventiva no local de ocorrência dos eventos e, assim, evitar falhas de maior proporção.

O surgimento e evolução da área Power Quality Data Analytics abre uma ampla possibilidade para que concessionárias, fabricantes e desenvolvedores possam colaborar para revolucionar a gestão de ativos e o gerenciamento da operação das redes elétricas.

Autores:

Por Ricardo Torquato, pesquisador de Pós-Doutorado na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP);

Por Tiago R. Ricciardi, diretor de Inovação na Energy Research and Analytics (ERA);

Por Walmir Freitas, professor titular na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).