Solução Abrangente para Reguladores de Tensão em Subestações: Dos Princípios de Funcionamento às Tendências Futuras

1. Princípio de Funcionamento e Evolução Tecnológica dos Reguladores de Tensão em Degraus

O Regulador de Tensão em Degraus (SVR) é um dispositivo central para a regulação de tensão em subestações modernas, alcançando uma estabilização precisa da tensão através de mecanismos de mudança de derivação. Seu princípio fundamental baseia-se na ajuste da relação de transformação: quando é detectada uma desvio de tensão, um sistema motorizado muda as derivações para alterar a relação de espiras, ajustando a tensão de saída. Os SVRs típicos fornecem ±10% de regulação de tensão com incrementos de 0,625% ou 1,25%, em conformidade com o padrão ANSI C84.1 para flutuações de tensão.

1.1 Mecanismo de Regulação em Degraus

• Sistema de Mudança de Derivações: Combina interruptores mecânicos acionados por motor e interruptores eletrônicos de estado sólido. Utiliza o princípio de "fechar antes de abrir" com resistores de transição para limitar a corrente circulante, garantindo o fornecimento ininterrupto de energia. A mudança de derivação é concluída em 15-30 ms, evitando quedas de tensão para equipamentos sensíveis.
• Unidade de Controle com Microprocessador: Equipada com processadores RISC de 32 bits para amostragem de tensão em tempo real (≥100 amostras/seg). Utiliza análise FFT baseada em DSP para separar componentes fundamentais e harmônicos, atingindo uma precisão de medição de ±0,5%.

1.2 Tecnologias de Controle Digital Modernas
Módulos de controle multifuncionais integrados permitem a otimização de cenários complexos:

• Redução Automática de Tensão (VFR): Reduz a tensão de saída durante sobrecarga do sistema, diminuindo as perdas em 4-8%. Fórmula: Eff. VSET = VSET × (1 - %R), onde %R (tipicamente 2-8%) define a taxa de redução. Por exemplo, um sistema de 122V com uma redução de 4,9% produz 116V.
• Limitação de Tensão: Define limites operacionais (por exemplo, ±5% Un). Intervém automaticamente durante violações de tensão, passível de ser anulada por operadores locais/remotos ou SCADA.
• Manutenção Durante Falhas: Mantém a regulação básica durante falhas (por exemplo, queda de tensão para 70% Un). O armazenamento EEPROM preserva parâmetros críticos por ≥72 horas após a interrupção.

2. Soluções de Integração de Sistemas de Subestação

2.1 Controle de Derivações do Transformador e Compensação Paralela
A regulação de tensão requer o controle coordenado de múltiplos dispositivos:

• Comutador de Derivações Sob Carga (OLTC): Regulador primário com ±10% de faixa. OLTCs modernos utilizam sensores de posição eletrônicos (±0,5% de precisão) para transmitir dados em tempo real ao SCADA.
• Bancos de Capacitores: Comutados automaticamente com base na demanda de potência reativa. Configurações típicas: 4-8 grupos, capacidade de 5-15% da classificação do transformador (por exemplo, 2-6 Mvar para sistemas de 33kV). As estratégias de controle devem equilibrar o desvio de tensão e o fator de potência (objetivo: 0,95-1,0) para evitar supercompensação.

2.2 Tecnologias de Compensação de Queda de Linha
Alimentadores de longa distância usam estratégias de regulação distribuída:

• Compensação em Série: Instala capacitores em série em linhas aéreas de 10-33kV para compensar 40-70% da reatância da linha. Exemplo: Um capacitor de 2000μF no ponto médio de 15 km aumenta a tensão final em 4-8%, protegido por parafusos varistor de óxido metálico (MOV).
• Reguladores de Tensão de Linha (SVRs): Implementados a 5-8 km das subestações. Capacidade: 500-1500 kVA, faixa ±10%. Integrados com Unidades Terminais de Alimentador (FTUs) para automação localizada, reduzindo a dependência de comunicação.

2.3 Configuração de Equipamentos

3. Estratégias de Controle Avançadas

3.1 Controle Tradicional de Nove Zonas e Melhorias
O plano de tensão-potência reativa é dividido em 9 zonas para acionar ações predefinidas:

• Lógica de Zona: Limites definidos por limites de tensão (por exemplo, ±3% Un) e limites reativos (por exemplo, ±10% Qn). Exemplo: Zona 1 (tensão baixa) aciona o aumento de tensão.
• Limitações: Oscilações nos limites causam ações frequentes dos dispositivos (por exemplo, comutação de capacitores na Zona 5) e não conseguem lidar com acoplamento de múltiplas restrições (por exemplo, violação de tensão + deficiência reativa).

3.2 Controle Fuzzy e Zonamento Dinâmico
Sistemas modernos adotam lógica fuzzy para superar as limitações:

• Fuzzificação: Define o desvio de tensão (ΔU) e o desvio reativo (ΔQ) como variáveis fuzzy (por exemplo, Negativo Grande a Positivo Grande), com funções de pertinência trapezoidais.
• Base de Regras: 81 regras fuzzy permitem mapeamento não linear, por exemplo:
• SE ΔU for Negativo Grande E ΔQ for Zero ENTAO Aumentar Tensão.
• Ajuste Dinâmico: Expande as zonas mortas de tensão durante cargas pesadas (±1,5%→±3%), reduzindo as ações dos dispositivos em 40-60%.

3.3 Otimização Multiobjetivo
Para cenários de integração de energia distribuída:

• Função Objetivo:
  Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
  (λ: coeficientes de ponderação; Tap_change: custo de operação de derivação)
• Restrições:
1. Segurança de tensão: Umin ≤ Ui ≤ Umax
2. Capacidade do dispositivo: |Qc| ≤ Qcmax
3. Operações diárias de derivação: ∑|Tap_change| ≤ 8
• Algoritmo: Otimização PSO aprimorada com 50 partículas converge em <3s, atendendo aos requisitos em tempo real.

4. Sistemas de Comunicação e Suporte à Automação

4.1 Arquitetura de Comunicação IEC 61850

• Mensagens GOOSE: Suporta comandos entre estações com <10ms de atraso. Permite o controle coordenado de tensão (por exemplo, subestações respondem em 100ms a comandos da estação principal).
• Modelagem de Informações: Define nós lógicos (por exemplo, ATCC para controle de derivação, CPOW para capacitores), cada um com mais de 30 objetos de dados (por exemplo, TapPos, VoltMag) para integração plug-and-play.

4.2 Integração do Sistema SCADA

• Aquisição de Dados: RTUs amostram dados críticos (tensão, corrente, posição de derivação) a cada 2 segundos, priorizando a transmissão de dados de tensão.
• Funções de Controle:
1. Ajuste remoto de parâmetros (por exemplo, VSET, %R).
2. Alternância sem costura entre modos automático e manual.
3. Bloqueio automático de operação durante falhas de dispositivo.
• Visualização: Diagramas unifilares dinâmicos (violações de tensão destacadas em vermelho), curvas de tendência e alarmes sonoros.

4.3 Protocolos de Comunicação Chave

5. Otimização e Validação de Desempenho

5.1 Implementação do Protocolo de Otimização de Tensão (VO)
Abordagem de três níveis da Associação de Energia dos EUA:

1. Redução Fixa de Tensão (VFR): Redução total de 2-3% (por exemplo, 122V→119V). Adequado para cargas estáveis. Economia anual: 1,5-2,5%, mas com risco de problemas de partida de motores.
2. Compensação de Queda de Linha (LDC): Ajusta dinamicamente a tensão com base na corrente de carga.
3. Feedback Automático de Tensão (AVFC): Controle em malha fechada usando 3-5 sensores remotos/alimentador. Algoritmo PID com ciclos de 30s.

5.2 Quantificação de Desempenho

• Coleta de Dados: Analisadores de energia de classe 0,2S registram tensão, THD e parâmetros de potência (intervalos de 1s, duração de 7 dias).
• Cálculo de Economia de Energia: Análise de regressão exclui efeitos de temperatura.
• Métricas Chave:
• Taxa de conformidade de tensão: >99,5%
• Ações diárias de dispositivo: <4
• Redução de perdas de linha: 3-8%
• Vida útil de comutação de capacitores: >100.000 ciclos.

5.3 Comparação de Técnicas de Otimização