Ferramentas para a Simulação de Transitórios em redes eléctricas

{include_content_item 526} Ferramentas para a Simulação de Transitórios em redes eléctricas

    – Ferramentas de simulação de transitórios ou programas como o EMTP, ATP.
    – Ferramentas de simulação de harmónicos ou ferramentas de simulação no domínio das frequências, PLOTXY, PCPLOT, GTPPLOT. [4]
    O estudo de fenómenos transitórios em sistemas eléctricos pode ser realizado através de modelos em escala reduzida, de simuladores analógicos, de simuladores digitais ou de simuladores híbridos.

 

 

 

    Os modelos em escala reduzida tem limitada aplicação, dada as dificuldades de realização física de miniaturas dos equipamentos do sistema eléctrico. Um exemplo de simulação em escala reduzida é o modelo para a análise de transitórios em linhas de transmissão quando da incidência de uma descarga atmosférica no topo de uma torre. São representados alguns vãos de linha, com os cabos e as torres em escala com relação aos componentes reais.

    Os simuladores analógicos têm sido tradicionalmente utilizados para a simulação de transitórios em redes eléctricas. Geralmente são conhecidos por "Analisadores de Transitórios em Redes" ou TNA (Transient Network Analyser) e não devem ser confundidos com os modelos em escala reduzida porque todos os seus componentes são baseados em equivalentes eléctricos, e não em modelos reduzidos dos componentes reais. Houve uma grande evolução nos simuladores analógicos quanto a automatização e aquisição de dados, visando aumentar a sua capacidade de simulação e manter a sua competitividade com relação a outras ferramentas, tendo em vista o elevado custo de sua utilização.

    Os simuladores digitais têm alcançado notáveis progressos, tendo em vista a evolução apresentada na velocidade de processamento e nas configurações dos computadores actuais.

    Pode-se afirmar que não há grandes limitações para a modelagem de qualquer componente do sistema eléctrico em programas digitais. Qualquer equivalente eléctrico, ou desenvolvimento teórico, baseado em características eléctricas conhecidas, ou possíveis de serem determinadas por ensaios, pode ser representado por um conjunto de instruções e acoplado num programa digital para o cálculo de transitórios. Com a evolução dos computadores, e devido aos custos envolvidos, pode-se afirmar que a tendência actual para a simulação de transitórios está nos simuladores digitais.

    Os simuladores híbridos empregam modelos digitais e analógicos simultaneamente, através da utilização de acoplamentos apropriados. Apesar de seu emprego em escala comercial ainda há limitações importantes para a sua aplicação generalizada.

    As comparações de resultados obtidos com estas ferramentas tendem a mostrar uma boa correlação geral.

    A combinação de facilidades analógicas e digitais pode ser extremamente proveitosa e, em termos mais realísticos, os dois métodos podem ser encarados como complementares em vez de competitivos.
    A ferramenta a ser utilizada deve ser capaz de representar parâmetros distribuídos e concentrados de modo preciso, inclusive com a dependência dos seus valores com a frequência. Em adição, deve ser capaz de representar o efeito de não linearidades como as encontradas em pára-raios, transformadores, efeito corona, arco através dos contactos do disjuntor, etc…

    Na prática nem sempre é possível, ou necessário, levar em conta todas estas necessidades e o resultado é um compromisso entre os requisitos específicos para o fenómeno em estudo e as simplificações introduzidas na modelagem dos componentes do sistema e nos processos de resolução numérica. Por outro lado, as dificuldades do cálculo de transitórios não se restringem ao método de cálculo somente. A necessidade de dados precisos e completos a respeito do sistema também apresenta os seus problemas, e é de considerável importância, desde que a precisão de qualquer cálculo não pode ir além daquela na qual os dados são baseados.

    Outro aspecto de fundamental importância, talvez o mais importante de todos, é a experiência dos responsáveis pela elaboração dos estudos.

    Na prática, os três factores mencionados acima afectam sensivelmente a qualidade dos resultados obtidos para um determinado estudo, os quais são dependentes da ferramenta utilizada, da qualidade dos dados do sistema e da experiência dos responsáveis pelo estudo [3].

 

ATP/EMTP

    Para os utilizadores inexperientes do ATP-EMTP a grande dificuldade prende-se sobretudo com a documentação que o programa apresenta. Abrangendo uma extensa gama de fenómenos e com características muito especiais, é necessário que a sua documentação seja simples e eficaz, de modo a não se direccionar apenas aos utilizadores mais experientes, mas também e sobretudo a quem está a dar os primeiros passos na temática do estudo de transitórios em sistemas eléctricos.
   
    A juntar à barreira dos manuais, aparece a relativa complexidade das várias ferramentas que no seu todo constituem o programa em si. A diversidade dos modelos para um mesmo componente é mais um obstáculo com que se depara um iniciante nesta área.

    Seguindo diversas bibliografias (referenciadas em espaço apropriado), decidimos antes de começar com as simulações, fazer um levantamento dos aspectos (relativos ao programa) que consideramos mais importantes, não só para realizar-mos o nosso projecto de final de curso, mas também para que possa vir a servir de apoio a quem se venha a mostrar interessado nesta área e em particular nos estudos proporcionados por esta poderosa ferramenta de software.

    As próximas páginas servem assim para quem não tem um grande conhecimento do programa se familiarizar e aprender de forma simples as ideias básicas que a ele estão subjacentes.

 

Generalidades.

    A área de transitórios electromagnéticos envolve uma ampla gama de fenómenos, provocados por variações súbitas de tensão ou corrente nos sistemas eléctricos, inicialmente em estado de regime permanente na grande maioria dos casos. Essas variações súbitas de tensão e corrente são provocadas por descargas atmosféricas, faltas no sistema ou operação de disjuntores.
    Um estudo de transitórios tanto pode levar à especificação dos dispositivos de protecção dos equipamentos de um sistema eléctrico quanto pode permitir a determinação dos motivos que provocaram uma perturbação no sistema [3].

    O programa ATP é uma ferramenta de grande flexibilidade e de grande importância na realização de estudos de transitórios em sistemas de potência, ou mesmo de estudos em regime permanente onde a topologia da rede ou o problema a ser estudado não permite uma simples representação monofásica. No entanto, a diversidade de opções de modelagem que oferece, e a extensa gama de estudos que permite realizar, fazem com que o usuário seja responsável por uma série de decisões, que vão desde a escolha do passo de integração mais adequado até a análise dos resultados obtidos, tornando a sua missão de difícil execução.

    É de grande importância a experiência do usuário para a obtenção de resultados confiáveis, sendo recomendável que os principiantes sejam sempre orientados por um usuário mais experiente ou então que adquiram a necessária experiência partindo de simulações bem simples.

    O ATP dispõe de uma crítica para verificação dos dados de entrada e a maioria dos erros é facilmente verificada pela leitura e análise da mensagem de erro fornecida pelo programa.

    O mesmo código ATP contém diversas rotinas auxiliares de suporte e mesmo programas completos, como é o caso do programa de cálculo de parâmetros de linhas e cabos subterrâneos, do programa de análise transitória de sistemas de controlo (TACS) e do programa MODELS (general-purpose algorithmic simulation tool).

Potencialidades do programa de transitórios ATP – EMTP

    ATP-EMTP é o programa mais usado para simulação digital de transitórios electromagnéticos em sistemas de potência devido à sua grande capacidade de modulação. Para além dos módulos de simulação possui suporte a rotinas de não simulação, que podem ser usadas para gerar modelos de dados, como computação de parâmetros de linha ou derivações de matrizes RL para representar múltiplas fases.

    As actuais versões do EMTP não são muito eficientes para modelação detalhada em electrónica de potência, contudo estes programas são muito atractivos para aplicações orientadas à sua simulação, porque oferecem muita capacidade e flexibilidade na caracterização dos vários tipos de componentes dos sistemas de potência [1].

O programa EMTP (ElectroMagnétic Transient Program) / ATP (Alternative Transient Program) é um programa digital utilizado para simular transitórios electromagnéticos, electromecânicos e de sistemas de controlo em sistemas eléctricos polifásicos de potencia. Inicialmente foi desenvolvido paralelamente com outros programas, como alternativa digital ao Analisador de Transitórios em Redes (TNA- Transient Network Analyser). Posteriormente, durante um período de 15 anos, teve um grande desenvolvimento, actualmente é um programa de grande difusão e utilização em todo o mundo.
    O programa ATP permite a simulação de transitórios electromagnéticos em redes polifásicas, com configurações arbitrárias, por um método que utiliza a matriz de admitância de barras. A formulação matemática é baseada no método das características (método de Bergeron) para elementos com parâmetros distribuídos e na regra de integração trapezoidal para parâmetros concentrados. Durante a solução são utilizadas técnicas de esparsidade e de factorização triangular optimizada de matrizes.
    Como um programa digital não permite obter uma solução contínua no tempo, são calculados valores a intervalos de tempo discretos.
    O programa permite a representação de não linearidades, elementos com parâmetros concentrados, elementos com parâmetros distribuídos, chaves, transformadores, reactores, etc.
    De uma forma geral, são considerados parâmetros em componentes de fase e em sequência zero e positiva, dependendo do modelo [3].