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An. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003

 

Simulação de operação de subestação em indústria de processamento de cana-de-açúcar

 

 

Eduardo Antonio SleimanI; Nelson Miguel TeixeiraII

IEng° Eletricista Doutorando em Energia na Agricultura Departamento de Engenharia Rural, FCA, UNESP, Botucatu/SP
IIProfessor Livre-Docente, Departamento de Engenharia Rural, FCA, UNESP, Botucatu/SP

Endereço para correspondência

 

 


RESUMO

O presente trabalho tem como objetivo simular o funcionamento e uma série de manobras importantes associadas aos equipamentos e dispositivos de uma subestação em uma indústria de processamento de cana-de-açúcar onde exista cogeração, permitindo que o operador da subestação seja devidamente treinado. Essa simulação é feita através da elaboração de um software, utilizando a linguagem Visual Basic. Utilizou-se o diagrama unifilar da Usina São Manuel, localizada na cidade de São Manuel/SP. Diante dos sinais apresentados pelo programa, o operador terá que resolver os problemas, sendo que a supervisão e controle dos equipamentos são realizados pelo próprio programa, diante das informações a serem emitidas pelo operador. Para a elaboração do software, foram definidos alguns pontos principais: visualização de alguns exemplos de subestações; operação de um diagrama simples; operação de uma subestação onde exista cogeração; simulação de defeitos, ou seja, eventos que possam aparecer no cotidiano de uma subestação. A análise dos resultados permite concluir que: o software desenvolvido oferece ao usuário um treinamento de operação real de uma subestação, enfatizando as chaves seccionadoras e os disjuntores, permitindo que o usuário realize as manobras e tenha uma resposta imediata, respeitando as condições impostas pelo software; o investimento para a implantação do sistema de treinamento proposto é extremamente baixo em relação aos danos de equipamentos de uma subestação que podem ser causados por falhas de operadores não treinados adequadamente.

Palavras-chave: simulação; subestação; cogeração; indústria de processamento de cana-de-açúcar; treinamento; software


SUMMARY

The present work has as objective simulates the operation and a serie of important maneuvers associated to the equipments of a substation in a sugar-cane processing plant where cogeneration exists, allowing the substation's operator to be properly trained. This simulation is made with the software elaborated using the language Visual Basic. It was used the unifilar diagram of the Usina São Manuel , located in São Manuel/SP. With the signs presented by the program, the operator will have to solve the problems, and the supervision and control of the equipments are accomplished by the own program, with the informations to be emitted by the operator. Some main points were defined for the software's elaboration: the visualization of some examples of substations; operation of a simple diagram; operation of a substation where cogeneration exists; problem's simulation, in other words, events that can appear in the daily of a substation. The analysis of the results show us that: the developed software offers to the user a training of real operation of a substation, allowing the user to accomplish the maneuvers and have an immediate answer, respecting the conditions imposed by the software; the investment for the system's implantation for the proposed training is extremely low compared to the damages of equipments in a substation caused by operator's fails, who probably didn't have a appropriately training.


 

 

INTRODUÇÃO

A biomassa proveniente do resíduo da industrialização da cana-de-açúcar, a qual pode ser explorada pela iniciativa privada sem demandar recursos públicos, é uma das opções imediatas para a contribuição na geração de energia elétrica. A geração de energia elétrica excedente pela usina de cana-de-açúcar assume uma posição estratégica com relação a valorização da atividade econômica regional, a questão ambiental, ao uso mais eficiente de insumos energéticos e competitividade do setor industrial. Além dessas vantagens, acrescenta-se o fato de não se fazer necessário o investimento em linhas de transmissão, pois o cultivo da cana-de-açúcar está distribuída ao longo de importantes centros de consumo.

Olivério & Ordine (1987), definem cogeração como geração e uso seqüencial de energia elétrica ou mecânica e de energia térmica, partindo de calor fornecido por uma reação de combustão.

Segundo Balbo (1990), ao examinar as alternativas para a política energética, com o objetivo de minimizar as dificuldades conjunturais que são provocadas por crises, como a do Golfo Pérsico, e evitar o colapso no suprimento de energia elétrica, pressuposto para os próximos anos, duas alternativas básicas se destacam: a necessidade de um programa estratégico substitutivo do petróleo e a conveniência de entregar ao controle da iniciativa privada a exploração das fontes naturais.

Poole (1993) aponta a cogeração como sendo a melhor opção energética para o Brasil, caracterizando-a como atividade muito promissora. O autor avalia que a cogeração é uma atividade tradicional nas indústrias de processamento de cana, mas sua implantação tem sido vagarosa na última década.

Aliada a geração de energia elétrica é necessário que exista uma subestação de energia elétrica, a qual é responsável pelo fornecimento e distribuição de energia. Além disso, as subestações podem elevar ou abaixar a tensão de fornecimento, num valor conveniente. As subestações são projetadas e construídas para fornecimento de energia elétrica a um sistema qualquer, desde que alimentadas pelo menos por uma fonte de energia, num determinado nível de tensão elétrica.

Segundo Zopetti (1972), as subestações são formadas por um conjunto de equipamentos e dispositivos que são responsáveis pela operação e proteção das redes de energia. Dentre esses equipamentos estão os transformadores, disjuntores, pára-raios, chaves seccionadoras e outros. Esses equipamentos estão interligados, ou seja, existe uma coordenação de funcionamento entre eles. Essa coordenação pode ser feita manualmente ou automaticamente.

Um sistema elétrico de potência moderno compõe-se de um emaranhado de usinas, linhas e subestações, visando dar aos consumidores grande confiabilidade e grande versatilidade de operação à empresa ou empresas que o operam. A CESP (1984) descreve a seguir alguns dos principais equipamentos de uma subestação:

- Disjuntores: são equipamentos que desligam um circuito com a presença de corrente elétrica. Para tanto, nada mais são do que uma chave de dois contatos: um fixo e outro móvel.

- Seccionadoras: são equipamentos que, como o nome indica, seccionam um circuito. Diferem dos disjuntores na medida em que estes podem seccionar um circuito em carga, ou seja, com a presença de corrente.

- Barramentos: são condutores que interligam os equipamentos. Nas subestações os mais comuns são: aéreos (flexíveis), tubos de alumínio (rígidos).

O controle dos equipamentos de subestações citados é feito por painéis localizados na sala de comando da subestação. Normalmente existe um operador responsável presente na sala de comando. A simulação do funcionamento de uma subestação pode trazer muitos benefícios à empresa, de modo que o operador desta subestação terá a oportunidade de passar por um treinamento específico, antes de começar a operar na subestação propriamente dita.

Segundo Portugal (1983), a simulação foi apontada nas últimas décadas como uma opção interessante na área de pesquisa agrícola, à medida que a agricultura se tornou uma atividade estratégica para a humanidade. Esta opção ganhou maior importância porque, além da complexidade própria da agricultura como uma atividade específica, as suas relações com outros setores da economia se tornaram cada vez mais complexas, sejam locais regionais ou mundiais.

Segundo Martin&Odell (1995), uma das preocupações da indústria de software é a necessidade de criar software e sistemas corporativos muito mais rapidamente e a um custo mais baixo. Para fazer bom uso da crescente potência dos computadores, é necessário que existam software de maior complexidade. Ainda que mais complexo, esse software também precisa ser mais confiável. A alta qualidade é fundamental no desenvolvimento de software.

Nelson (1994) enfoca que o Visual Basic gerencia a complexidade do Windows de uma forma realmente surpreendente. A combinação de recursos já existentes na linguagem BASIC com ferramentas de projeto visual introduz simplicidade e facilidade de uso, sem sacrifício do desempenho ou das características gráficas que fazem do Windows um ambiente agradável de trabalhar. Menus, fontes, caixas de diálogo, campos de texto com deslocadores e outro recursos podem ser facilmente projetados e controlados, demandando apenas algumas linhas de programação.

O presente trabalho tem como objetivo simular o funcionamento e uma série de manobras importantes associadas aos equipamentos e dispositivos de uma subestação em uma indústria de processamento de cana-de-açúcar onde exista cogeração, permitindo que o operador da subestação seja devidamente treinado.

 

MATERIAL E MÉTODOS

A simulação proposta foi feita através da elaboração de um programa computacional utilizando o Visual Basic. Desta forma, o operador a ser treinado estará diante de uma situação real de funcionamento de uma subestação. O programa computacional desenvolvido em Visual Basic simula também o layout e operação de quadros sinópticos compostos de equipamentos que interligam geradores em paralelo com sistemas de energia elétrica.

Na sala de comando de uma subestação, o operador encontra-se diante de painéis contendo todo o perfil da subestação. Sendo assim, através de sinais visuais e auditivos, o operador consegue localizar os defeitos e problemas que podem ocorrer nos equipamentos da subestação. Com a simulação proposta, o operador poderá passar por um treinamento com recursos gráficos, permitindo que o mesmo possa aprender de maneira eficaz e simples o funcionamento de uma subestação e as decisões que deverá tomar de acordo com a situação encontrada.

Diante dos sinais apresentados pelo programa, o operador terá que resolver os problemas a serem apresentados. A supervisão e controle dos equipamentos são realizados pelo próprio programa, baseado nas informações a serem emitidas pelo operador. Sendo assim, o programa apresenta recursos para emissão e controle de dados a serem processados pelo operador.

MATERIAL

Para elaborar o software utilizou-se um computador PC contendo a linguagem de programação Visual Basic 5.0. Para esta etapa foi utilizado o diagrama unifilar da subestação da Usina São Manuel, localizada na cidade de São Manuel, Estado de São Paulo.

MÉTODOS

A Usina São Manuel gera energia elétrica para o próprio consumo, porém, existe também um contrato com a CPFL, de um determinado valor de consumo de energia. Sendo assim, quando da necessidade de um consumo de energia maior que o valor produzido pelos geradores da usina, esta utiliza-se da energia da CPFL para suprir suas necessidades.

Existem vários tipos de subestação de energia elétrica, tanto quanto à disposição dos equipamentos, como também quanto ao funcionamento. No presente trabalho foram utilizadas as seguintes configurações de subestações (SE): SE com um barramento; SE com "by-pass"; SE com derivação através de dois circuitos; SE com barra principal e de transferência; SE da Usina São Manuel.

As características dos transformadores não estão sendo levadas em consideração, pois não são relevantes para o bom funcionamento do programa. Porém, os transformadores são identificados por uma questão visual e de melhor apresentação do programa.

 

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A tela inicial do programa permite que o usuário escolha uma das opções oferecidas pelo programa: diagramas de subestações (somente visualização), operação de uma subestação com "by-pass", subestação da usina de São Manuel.

Dentro da opção "Diagrama de Subestações", existem os seguintes tipos: com um barramento, com "by-pass", em derivação através de dois circuitos, com barramento principal e de transferência.

É importante ressaltar que essas subestações apresentadas até o momento são apenas para visualização dentro do programa, ou seja, não permitem ao usuário realizar manobras.

Voltando ao menu da tela inicial, temos a opção "Operação de uma subestação com by-pass".

Se o usuário clicar nessa opção, ele poderá fazer manobras como se estivesse controlando uma subestação real. O programa oferece todos os recursos necessários à realização das manobras, além de apresentar resultados referentes às manobras, ou seja, mostra se o usuário está realizando corretamente a seqüência de manobras.

Com isso, observa-se um processo interativo entre o usuário e o programa, facilitando a sua compreensão.

Dentro da opção "Subestação da Usina São Manuel" tem-se 3 opções: "Operação da Subestação", "Simulação de Defeitos na Subestação", "Relação de Cargas".

Ao clicar na opção "Operação da Subestação", será apresentado o diagrama unifilar da Subestação da Usina São Manuel, além de todas as opções de manobra da subestação, conforme mostra a Figura 1. Tem-se as caixas contendo as chaves, os disjuntores, e os comandos ligar e desligar.

Observa-se a cogeração através dos barramentos "USINA" e "CPFL", ou seja, a usina pode consumir energia proveniente de sua própria geração, ou da CPFL. Como não existe circuito de sincronismo, é impossível que a Usina possa consumir energia de sua própria geração e da CPFL simultaneamente.

Os geradores da Usina estão indicados por G1, G2, G3, enquanto que as chaves são indicadas por 89-xx e os disjuntores por 52-x (x corresponde ao número do equipamento).

Ao escolher a opção "Simulação de Defeitos na Subestação", o usuário terá a oportunidade de participar de uma simulação de defeitos e manobras que podem ocorrer em uma situação real de funcionamento de uma subestação de usina sucroalcooleira onde exista cogeração (Figura 2). O programa simula os eventos e o usuário tem que tomar a decisão apropriada, para que a próxima simulação seja realizada. Enquanto o usuário não realizar corretamente as manobras, o programa não avança para a próxima simulação. Isso é de extrema importância para um bom treinamento do operador, já que o mesmo se prepara para enfrentar situações reais dentro de uma subestação.

Inicialmente, o usuário deve clicar em "simular". Em seguida vai aparecer uma mensagem indicando o tipo de evento simulado para que o usuário tome a decisão apropriada.

No momento em que o comando simular é clicado, o diagrama se modifica em relação ao diagrama exibido na Figura 2, ou seja, existe o fechamento de algumas chaves e disjuntores, como se a subestação estivesse funcionando normalmente, quando aparece o evento representado no quadro de mensagem.

É importante ressaltar que existe uma ordem correta de ligamento e desligamento de chaves seccionadoras, já que as mesmas não operam em carga. Sendo assim, o treinamento oferecido por esse programa faz com que o usuário possa estar apto a enfrentar situações reais de funcionamento de subestações, evitando que o mesmo possa provocar danos a equipamentos, problemas de interrupções de fornecimento de energia e até mesmo acidentes.

A Figura 3 ilustra a janela "Relação de Cargas", contendo a relação de cargas (Q1 a Q15) da Usina São Manuel. Essa janela pode ficar disponível durante toda a execução do programa, sob a forma minimizada.

 

 

CONCLUSÕES

A análise dos resultados permite concluir que:

- o software elaborado em ambiente visual oferece ao usuário um treinamento de operação real de uma subestação, enfatizando as chaves seccionadoras e os disjuntores;

- o software desenvolvido apresenta um ambiente visual interativo, permitindo que o usuário realize as manobras e tenha uma resposta imediata, respeitando as condições impostas pelo software;

- através da técnica apresentada, o usuário estará sendo treinado para operar uma subestação de uma usina sucroalcooleira onde exista cogeração, de uma maneira eficaz e segura, garantindo o bom funcionamento da subestação e um número mínimo de interrupções no fornecimento de energia elétrica;

- nos painéis atualmente existentes em centros de treinamento, é montado um layout para cada subestação a ser estudada. Cada montagem de um layout demanda desmontar o anterior e montar o desejado, gastando muito tempo, o que também é um fator agravante. No sistema proposto, o programa em Visual Basic pode apresentar telas de várias subestações diferentes, simultaneamente, ou seja, é descartada a etapa de montar e desmontar um layout de subestação;

- o investimento no sistema de treinamento proposto é extremamente baixo em relação aos danos de equipamentos de uma subestação que podem ser causados por falhas de operadores não treinados adequadamente.

 

AGRADECIMENTOS

Agradecimento à FAPESP pelo financiamento do projeto.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] OLIVÉRIO, J.L., ORDINE, R.J. Novas tecnologias e processos que permitem elevar o excedente de bagaço das usinas e destilarias. Brasil Açucareiro, v.105, n.2-3, p.54-89, 1987.

[2] BALBO, J.M. Geração de energia elétrica à partir da utilização do bagaço da cana-de-açúcar. Sertãozinho: Usina São Francisco, 1990. 13p.

[3] POOLE, A. D. Bioenergy in Brazil. Biomass users network. Network News, v.7, n.2, p.1-4, 1993.

[4] ZOPPETTI, G. Redes eléctricas de alta y baja tension. 5.ed. Barcelona: Editorial Gustavo Gili. 1972. 706p.

[5] COMPANHIA ENERGÉTICA DE SÃO PAULO. Elementos básicos sobre subestações de alta tensão. Bauru, 1984. 91p.

[6] PORTUGAL, A.D. Simulação de sistemas agropecuários. Pesq. Agropec. Bras., v.18, n.4, p. 335-42, 1983.

[7] MARTIN, J., ODELL, J.J. Análise e projeto orientados a objeto. São Paulo: Makron Books, 1995. 639p.

[8] NELSON, R. Visual Basic for Windows versão 3.0. São Paulo: Makron Books. 1994. 357p.

 

 

Endereço para correspondência
Eduardo Antonio Sleiman
e-mail: sleiman@laser.com.br

Nelson Miguel Teixeira
e-mail: nteixeira@fca.unesp.br