Normalização complexa e cálculo de fluxo de potência para sistemas elétricos emergentes

Abstract

Resumo: Este trabalho aborda a unificação do tratamento do problema do fluxo de potência para redes de transmissão e de distribuição de energia elétrica interligadas (T&D). Primeiramente, busca-se consolidar a metodologia de normalização complexa por unidade em sistemas elétricos de distribuição a fim de ajustar as relações X/R e torná-las favoráveis à utilização do método Desacoplado Rápido na solução do fluxo de potência. Em seguida, apresenta-se a principal contribuição deste trabalho. É proposta uma extensão da formulação convencional do fluxo de potência através do método Newton, a fim de processar redes T&D interligadas e adequar a representação física de alimentadores de distribuição no modelo da rede. Esta extensão também aplica a normalização complexa por unidade para adequar as relações X/R dos alimentadores de distribuição fisicamente representados para os mesmos níveis dos sistemas de transmissão. Além disso, injeções fictícias de potências ativa e reativa são incluídas em cada barra de fronteira do sistema T&D e são tratadas como novas variáveis de estado, de modo que a solução do fluxo de potência do sistema normalizado é a mesma da rede original. A equivalência apropriada entre os fluxos de potência através dos ramos conectados às barras de fronteira está incluída no problema como novas equações, resultando em um conjunto nãoredundante de equações algébricas. A abordagem proposta fornece uma ferramenta eficiente para realizar a análise do fluxo de potência em sistemas T&D, onde os alimentadores de distribuição são fisicamente representados, permitindo uma determinação precisa do seu impacto na operação dos sistemas de transmissão. Além disso, topologias malhadas podem ser facilmente manipuladas por meio da metodologia proposta. Simulações em sistemas-teste de alimentadores de distribuição com topologias originais e modificadas, para contemplar configurações malhadas e inserção de geradores independentes, são apresentadas e discutidas para demonstrar a importância e viabilidade da aplicação da normalização complexa na análise do problema do fluxo de potência. Para avaliar as características e o desempenho da nova formulação do fluxo de potência estendido, distintas condições operacionais entre partes de um sistema-teste T&D foram simuladas.

Abstract: This work addresses the unified load flow analysis for interconnected transmission and distribution (T&D) networks. First it seeks to consolidate the concept of complex per unit normalization in electrical distribution systems in order to adapt X/R ratios to make them favorable to the use of Fast Decoupled method on power flow solution. Afterwards the main contribution of this work is presented. An extension of the conventional power flow formulation via Newton method is proposed in order to handle T&D networks and to adjust the physical depiction of distribution feeders on the network model. The proposed extension uses a complex per unit normalization to adequate X/R ratios of physically depicted distribution feeders to the same levels of transmission systems. Furthermore, active and reactive power compensations are included in each T&D boundary bus and treated as new state variables, so that the power flow solution of the normalized system is the same as the original network. Appropriate equivalence between power flows through branches connected to boundary buses is included into the problem as new equations, resulting in a solvable non-redundant set of algebraic equations. The proposed approach provides an efficient tool to perform power flow analysis on T&D systems, where distribution feeders are explicitly depicted, allowing an accurate determination of their impact onto the transmission operation. Besides, meshed topologies can be easily handled by means of the proposed methodology. Simulations in distribution feeders test-systems with original and modified topologies including highly meshed configurations and presence of distributed generation are presented and discussed to demonstrate the importance and viability of the complex normalization application on the power flow problem. In order to evaluate the characteristics and performance of the extended power flow formulation, different operational conditions were simulated on a T&D test-system.