Alocação ótima de banco de capacitores em redes de distribuição de energia elétrica utilizando modelos simplificados

Abstract

Neste trabalho são apresentados dois modelos simplificados para obtenção das tensões nodais em redes de distribuição, assim como a utilização destes em algoritmos de otimização para alocação de bancos de capacitores para minimização da violação da tensão e dos custos relacionados com os equipamentos instalados. As equações não-lineares do fluxo de potência de notação fasorial são aproximadas por equações lineares que relacionam a magnitude das tensões nodais com as correntes dos ramos, considerando a alta relação R/X, característica das redes de distribuição. A opção por desenvolver modelos lineares se dá por estes permitirem empregar tanto a função objetivo como as restrições lineares, diferenciando das abordagens usuais nas quais são utilizadas equações não lineares. Logo, a solução ótima pode ser obtida de forma mais rápida e com menor esforço computacional através de programação linear. O problema de alocação apresentado consiste em determinar o local ótimo de instalação de bancos de capacitores fixos ou chaveados, assim como, a potência ótima nominal, a fim de minimizar as violações de tensão e os custos de aquisição, instalação e manutenção dos mesmos. A avaliação das violações nas tensões é realizada para diferentes níveis de carregamento, tendo na solução a indicação de quais períodos os capacitores chaveados deverão estar ligados. Além disso, permite definir de forma integrada a melhor derivação de operação dos transformadores de distribuição. Por fim, são apresentados resultados obtidos em duas redes de distribuição típicas através do método proposto sendo comparados com os resultados exatos obtidos por enumeração, que utiliza fluxo de carga convencional.

This work presents two simplified models to determine the nodal voltage on power distribution networks, as well as the integration of these models within optimization algorithms to solve capacitor placement problems, to minimize the voltage violation and costs of the devices installed. The steady state nonlinear power flow equations are approximated by linear equations relating voltage amplitude and current, taking into account the high relation between resistance and reactance (R/X), which is a distribution network feature. The choice to develop linear models is due to the fact that they allow to employ only linear objective function and constraints, contrasting with traditional models which in general work with non-linear ones. In this way, the optimal solution can be found faster and with less computation effort through linear programming. The placement problem consists of finding the optimal location of installation and size of capacitor banks, in order to minimize the node voltage violations and the acquisition and maintenance costs. The evaluation of the voltage violations is performed for different network load levels. Thus, the solution will show the time periods where the switched capacitor banks should turned on and periods where they should turned off. Furthermore, the methodology is able to define the best operating tap position of the distribution transformers in an integrated way. Finally, results of two typical distribution networks obtained by the proposed methodology are presented and compared with the exact results obtained with enumeration algorithms using exact load flow equations.