Livro GTD

Profa Ruth Leo Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao

Universidade Federal do Cear Centro de Tecnologia

Departamento de Engenharia Eltrica

GTD Gerao, Transmisso e Distribuio de Energia Eltrica

2009

Profa Ruth Leo Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao

APRESENTAO

Esta apostila sobre aspectos da gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica o resultado de uma coletnea de notas de aula em atendimento disciplina de Gerao, Transmisso e Distribuio de Energia Eltrica GTD, do curso de graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Cear. A preparao deste compndio tem por objetivo contribuir na formao de estudantes de Engenharia Eltrica abordando assuntos relacionados aos sistemas de potncia. A apostila agrega conhecimento dos diversos segmentos dos sistemas eltricos de potncia desde a gerao at utilizao da energia eltrica. Os assuntos abordados foram pesquisados em diversos livros e revistas tcnicas, no tendo a pretenso de esgotar todo o conhecimento dos assuntos aqui tratados. Aos alunos, a iniciativa pretende contribuir de forma efetiva no processo ensino-aprendizagem no prescindindo da leitura de outras fontes literrias especializadas.

Profa Ruth P.S. Leo Email: [email protected] Homepage: www.dee.ufc.br/~rleao

1-2

Captulo 1 Introduo aos Sistemas Eltricos de Potncia

1.1 Introduo 1.2 Objetivos da disciplina 1.3 Histria dos Sistemas Eltricos de Potncia 1.4 Estrutura Organizacional do Setor Eltrico Brasileiro 1.5 Estrutura de um Sistema Eltrico de Potncia 1.5.1 Gerao de Energia Eltrica 1.5.2 Rede de Transmisso 1.5.3 Rede de Sub-transmisso 1.5.4 Rede de Distribuio 1.6 Caractersticas do Sistema Eltrico Brasileiro 1.6.1 Gerao de Energia Eltrica no Brasil 1.6.2 Sistema Interligado Nacional 1.6.3 Transmisso de Energia Eltrica no Brasil 1.6.4 Sistemas de Distribuio no Brasil 1.7 Representao Esquemtica de Sistemas de Potncia 1.7.1 Caractersticas dos Sistemas Eltricos de

Potncia

1.7.2 Representao do Sistema Eltrico 1.8 Tendncias para o Mercado de Energia Eltrica


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1.1 Introduo

Na histria da sociedade, a energia eltrica, desde a sua descoberta, sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista a dependncia da qualidade de vida e do progresso econmico da qualidade do produto e dos servios relacionados energia eltrica, que por sua vez dependem de como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantm os sistemas eltricos de potncia.

Figura 1.1 Importncia da eletricidade para a sociedade.

A energia eltrica proporciona sociedade trabalho, produtividade e desenvolvimento, e aos seus cidados conforto, comodidade, bem-estar e praticidade, o que torna a sociedade moderna cada vez mais dependente de seu fornecimento e mais suscetvel s falhas do sistema eltrico. Em contrapartida esta dependncia dos usurios vem se traduzindo em exigncias por melhor qualidade de servio e do produto. A energia eltrica uma das mais nobres formas de energia secundria. A sua facilidade de gerao, transporte, distribuio e utilizao, com as conseqentes transformaes em outras formas de energia, atribuem eletricidade uma caracterstica de universalizao, disseminando o seu uso pela humanidade. No mundo de hoje, eletricidade, como alimento e moradia, um direito humano bsico. Eletricidade a dominante forma

Energia Eltrica

Qualidade de Servio e do Produto

Qualidade de Vida

Desenvolvimento Econmico


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de energia moderna para telecomunicaes, tecnologia da informao, e produo de bens e servios. Os crescimentos da populao mundial e da economia nos pases em desenvolvimento implicam, necessariamente, no aumento do consumo de energia, porm a produo de energia deve seguir os conceitos de desenvolvimento sustentvel e de responsabilidade ambiental. O grfico da Figura 1.2 apresenta o crescimento da gerao mundial de eletricidade por combustvel, sendo estimado para os prximos 20 anos um crescimento superior a 50% na produo mundial de eletricidade. A eletricidade a forma de energia de uso final que mais cresce no perodo analisado (2006-2030).

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

2006 2010 2015 2020 2025 2030

Trill

ion

Kilo

wat

thou

rs

RenewablesCoalNatural GasNuclearLiquids

Fonte: International Energy Outlook 2009

Figura 1.2 Gerao mundial de energia eltrica. Segundo resultados preliminares do Balano Energtico Nacional BEN1 2009, ano base 2008, o consumo final energtico por fonte est mostrado na Figura 1.3 onde se observa que a eletricidade representa 17,4% do consumo final ficando atrs apenas do leo diesel 17,7%, sendo, portanto a segunda forma de energia mais consumida no pas.

1 O BEN apresenta a contabilidade relativa oferta e ao consumo de todas as formas energia no Brasil, contemplando as atividades de extrao de recursos energticos primrios, sua converso em formas secundrias, a importao e a exportao, a distribuio e o uso final da energia.

18,0 20,6

23,2 26,0

28,9

31,8


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Inclui apenas gasolina A (automotiva) 2 Outras Fontes Inclui lixvia, leo combustvel, gs de refinaria, coque de carvo mineral e carvo vegetal, dentre outros

Fonte: Balano Energtico Nacional BEN 2009 Resultados Preliminares.

Figura 1.3 Consumo final energtico por fonte no Brasil em 2009. No Brasil, dentre as fontes primrias e secundrias de energia a fonte hidrulica a que mais contribui para produo de energia eltrica (73,1%) estando os locais produtores em regies quase sempre distantes dos centros consumidores (Figura1.4). Com isso so necessrias grandes extenses de linhas de transmisso e instalaes para repartir e distribuir a energia nos centros de consumo.


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(*) Inclui lenha, bagao de cana, lixvia e outras recuperaes.

Fonte: Balano Energtico Nacional 2009 Resultados Preliminares. Figura 1.4 Estrutura da oferta de energia eltrica no Brasil em 2008.

A eletricidade apresenta uma combinao de atributos que a torna distinta de outros produtos, como:

dificuldade de armazenamento em termos econmicos; variaes em tempo real na demanda, e na produo em caso de

fontes renovveis; falhas randmicas em tempo real na gerao, transmisso e

distribuio; e necessidade de atender as restries fsicas para operao

confivel e segura da rede eltrica. As condies de no armazenamento e de no violao das restries operativas impem eletricidade sua produo no momento exato em que requerida ou consumida fazendo com que o dimensionamento do sistema eltrico seja determinado pelo nvel mximo de energia demandada, resultando em ociosidade dessas instalaes durante o perodo de menor demanda. O atendimento dos aspectos de simultaneidade de produo e consumo, exigindo instalaes dimensionadas para a ponta de carga, e a longa distncia entre os locais de gerao e os centros consumidores pode ser traduzido pela necessria existncia de um sistema de transmisso e de distribuio longos e complexos, apoiados por uma estrutura de


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instalaes e equipamentos que, alm de representar importantes investimentos, exigem aes permanentes de planejamento, operao e manuteno, e esto como qualquer produto tecnolgico sujeito falhas. Os sistemas eltricos so tipicamente divididos em segmentos como: gerao, transmisso, distribuio, utilizao e comercializao. A oferta da energia eltrica aos seus usurios realizada atravs da prestao de servio pblico concedido para explorao entidade privada ou governamental. As empresas que prestam servio pblico de energia eltrica o fazem por meio da concesso ou permisso concedidos pelo poder pblico. A disciplina de sistemas de energia eltrica apresenta uma viso panormica da estrutura organizacional do setor eltrico nacional e de cada um dos segmentos dos sistemas de potncia. 1.2 Objetivos da disciplina

a) Apresentar a estrutura organizacional do setor eltrico brasileiro, seus

agentes e funes. b) Apresentar os principais componentes de um sistema eltrico de

potncia, suas funes e princpio de operao dos elementos. c) Apresentar modelos de representao do sistema eltrico e de seus

componentes: circuito equivalente, representao unifilar, sistema por unidade.

d) Apresentar modelos tpicos de:

Usinas de Gerao: tipos, componentes, operao. Subestaes: equipamentos, arranjos. Sistemas de Transmisso: parmetros eltricos, modelos de linha,

capacidade de transporte.

Sistemas de Distribuio: equipamentos de rede, caracterstica da carga, medio, tarifa.


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d) Apresentar a automao dos sistemas eltricos de potncia: hierarquia organizacional dos sistemas eltricos, arquitetura do sistema de automao, funes de superviso e controle.

1.3 Histria dos Sistemas Eltricos de Potncia Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e empreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos so aqui registrados como tributo de reconhecimento pela grande constribuio.

JJaammeess WWaatttt 11773366 11881199 ((EEssccooccss)) Mecnico, concebeu o princpio da mquina a vapor,

que possibilitou a revoluo industrial. A unidade de potncia til foi dada em sua

homenagem (watt).

AAlleessssaannddrroo VVoollttaa 1745 - 1827 (Italiano) Em 1800 anunciou a inveno da bateria. A unidade de fora eletromotriz foi criada em sua

homenagem (volt).

AAnnddrr MMaarriiee AAmmpprree 1775 - 1836 (Francs) Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos eltricos e

magnticos a partir do anunciado de Oersted (Oe intensidade de campo magntico).

Descobriu que as correntes agiam sobre outras correntes.

Elaborou completa teoria experimental e matemtica lanando as bases do eletromagnetismo.

A unidade de corrente eltrica foi escolhida em sua homenagem (ampre).

GGeeoorrgg SSiimmoonn OOhhmm 1789-1854 (Alemo) Em 1827 enunciou a lei de Ohm. Seu trabalho s foi reconhecido pelo mundo cientfico

em 1927. As unidades de resistncia, reatncia e impedncia

eltrica foram escolhidas em sua homenagem (ohm).


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MMiicchhaaeell FFaarraaddaayy 1791-1867 (Ingls) Fsico e qumico, em 1831 descobriu a induo

eletromagntica. Constatou que o movimento de um im atravs de uma

bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente no condutor.

Estabeleceu o princpio do motor eltrico. Considerado um dos maiores experimentalistas de

todos os tempos. A unidade de capacitncia em sua homenagem (F).

JJoosseepphh HHeennrryy 1797-1878 (Americano) Descobriu a indutncia de uma bobina. Em sua homenagem seu nome foi dado unidade de

indutncia (henry).

GGuussttaavv RRoobbeerrtt KKiirrcchhhhooffff 18241887 (Alemo) Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e

tenses.

TThhoommaass AAllvvaa EEddiissoonn 1847-1931 (Americano) Em 1879 inventou a lmpada eltrica. Patenteou 1100 invenes: cinema, gerador eltrico,

mquina de escrever, etc. Criou a Edison General Electric Company. Foi scio da General Electric Company. Instalou em 1882 a primeira usina de gerao de

energia eltrica do mundo com fins comerciais, na rea de Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de New York. A Central gerava em corrente contnua, com seis unidades geradoras com potncia total de 700 kW, para alimentar 7200 lmpadas em 110 V. O primeiro projeto de xito de central eltrica havia sido instalado no mesmo ano em Londres, com capacidade de


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gerao para 1000 lmpadas2.

WWiilllliiaamm SSttaannlleeyy 1858-1968 ((AAmmeerriiccaannoo)) Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o

transformador.

NNiikkoollaa TTeessllaa 1856-1943 (Croata-Americano) Em 1888 inventou dos motores de induo e sncrono. Inventor do sistema polifsico. Responsvel pela definio de 60 Hz como freqncia

padro nos EUA. A unidade para densidade de fluxo magntico em sua

homenagem (T).

GGeeoorrggee WWeessttiinngghhoouussee 1846-1914 (Americano) Inventor do disjuntor a ar. Comprou a patente do recm inventado transformador

dos ingleses Lucien Gaulard e John D. Gibbs. Comprou a patente do motor eltrico de Tesla. Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company. Venceu a batalha das correntes contra Edison.

1.4 Estrutura Organizacional do Setor Eltrico Brasileiro

O setor eltrico mundial tem passado por amplo processo de re-estruturao organizacional. No modelo atual os sistemas eltricos so tipicamente divididos em segmentos como: gerao, transmisso, distribuio, e comercializao. No Brasil, este processo de re-estruturao foi desencadeado com a criao de um novo marco regulatrio, a desestatizao das empresas do setor eltrico, e a abertura do mercado de energia eltrica.

2 War of Currents (http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents)


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Para gerenciar este novo modelo do setor eltrico, o Governo Federal criou a estrutura organizacional apresentada na Figura 1.5 e definida a seguir. Fonte: ANEEL

Figura 1.5 Estrutura organizacional e os agentes do setor eltrico brasileiro. a) Conselho Nacional de Poltica Energtica CNPE

rgo de assessoramento do Presidente da Repblica para formulao de polticas nacionais e diretrizes de energia, visando, dentre outros, o aproveitamento natural dos recursos energticos do pas, a reviso peridica da matriz energtica e a definio de diretrizes para programas especficos.

b) Ministrio de Minas e Energia MME

Encarregado de formulao, do planejamento e da implementao de aes do Governo Federal no mbito da poltica energtica nacional. O MME detm o poder concedente.

c) Comit de Monitoramento do Setor Eltrico CMSE

Constitudo no mbito do MME e sob sua coordenao direta, com a funo precpua de acompanhar e avaliar permanentemente a


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continuidade e a segurana do suprimento eletro energtico em todo o territrio.

d) Empresa de Pesquisa Energtica - EPE

Empresa pblica federal vinculada ao MME tem por finalidade prestar servios na rea de estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energtico.

e) Agncia Nacional de Energia Eltrica - ANEEL

Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalizao, a produo, transmisso, distribuio e comercializao de energia, em conformidade com as polticas e diretrizes do Governo Federal. A ANEEL detm os poderes regulador e fiscalizador.

f) Operador Nacional do Sistema Eltrico - ONS

Pessoa jurdica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulao e fiscalizao da ANEEL, tem por objetivo executar as atividades de coordenao e controle da operao de gerao e transmisso, no mbito do SIN (Sistema Interligado Nacional). O ONS responsvel pela operao fsica do sistema e pelo despacho energtico centralizado.

g) Cmara de Comercializao de Energia Eltrica - CCEE

Pessoa jurdica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulao e fiscalizao da ANEEL, com finalidade de viabilizar a comercializao de energia eltrica no Sistema Interligado Nacional - SIN. Administra os contratos de compra e venda de energia eltrica, sua contabilizao e liquidao. A CCEE responsvel pela operao comercial do sistema.

A comercializao de energia eltrica atualmente realizada em dois ambientes diferentes:

- Ambiente de Contratao Livre (ACL): destinado ao atendimento de consumidores livres3 por meio de contratos bilaterais firmados com produtores independentes de energia, agentes comercializadores ou geradores estatais. Estes ltimos s podem fazer suas ofertas por meio de leiles pblicos.

3Consumidor livre: consumidor que pode optar pela compra de energia eltrica junto a qualquer fornecedor, que atendido em qualquer tenso e com demanda contratada mnima de 3MW. (Resoluo ANEEL No. 264 e 456).


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- Ambiente de Contratao Regulada (ACR): destinado ao atendimento de consumidores cativos por meio das distribuidoras, sendo estas supridas por geradores estatais ou independentes que vendem energia em leiles pblicos anuais.

h) Agncias Estaduais de Energia Eltrica

Nos estados foram criadas as Agncias Reguladoras Estaduais com a finalidade de descentralizar as atividades da ANEEL. A Figura 1.6 apresenta as agncias reguladoras estaduais.

Figura 1.6 Agncias reguladoras nacionais.

i) Eletrobrs

A Eletrobrs controla grande parte dos sistemas de gerao e transmisso de energia eltrica do Brasil por intermdio de seis subsidirias: Chesf, Furnas, Eletrosul, Eletronorte, CGTEE (Companhia de Gerao Trmica de Energia Eltrica) e Eletronuclear. A empresa possui ainda 50% da Itaipu Binancional e tambm controla o Centro de Pesquisas de Energia Eltrica (Cepel), o maior de seu gnero no Hemisfrio Sul. A Eletrobrs d suporte a programas estratgicos do governo federal, como o Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica (Proinfa), o Programa Nacional de Universalizao do Acesso e Uso da Energia Eltrica (Luz para Todos) e o Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica (Procel).


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j) Agentes Setoriais

Agentes relacionados ao setor de energia eltrica (Tabela 1.1).

Tabela 1.1. Associaes Setoriais de Energia Eltrica.

ABRAGE Associao Brasileira das Empresas Geradoras de Energia Eltrica. Empresas associadas: AES TIET, CDSA, CEMIG, CESP, CEEE, DUKE-GP, CHESF, COPEL, ELETRONORTE, EMAE, FURNAS, LIGHT, TRACTEBEL ENERGIA

ABRATE Associao Brasileira de Grandes Empresas de Transmisso de Energia Eltrica. Empresas associadas: CEMIG, CTEEP, CHESF, COPEL Transmisso S.A, ELETRONORTE, Furnas Centrais Eltricas AS, Companhia Estadual de Gerao e Transmisso de Energia Eltrica - CEEE GT, ELETROSUL Centrais Eltricas S.A.

ABRADEE Associao Brasileira de Distribuidores de Energia Eltrica.Empresas associadas (48 dentre as 67 concessionrias de distribuio): AES SUL DISTRIBUIDORA GACHA DE ENERGIA S.A.; AMPLA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO RIO DE JANEIRO; BANDEIRANTE ENERGIA S.A.; BOA VISTA ENERGIA S.A.; COMPANHIA DE ELETRICIDADE DA BORBOREMA; EMPRESA ELTRICA BRAGANTINA; CAIUA SERVIOS DE ELETRICIDADE S.A.; COMPANHIA FORA E LUZ CATAGUAZES LEOPOLDINA; CEAL - COMPANHIA ENERGTICA DE ALAGOAS; CEAM - COMPANHIA ENERGTICA DO AMAZONAS (incorporada pela Manaus Energia S.A. (MASA); CEB - COMPANHIA ENERGTICA DE BRASLIA; CEEE - COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA ELTRICA; CELESC - CENTRAIS ELTRICAS DE SANTA CATARINA S.A.; CELG - COMPANHIA ENERGTICA DE GOIS; CELPA - CENTRAIS ELTRICAS DO PAR S.A.; CELPE - COMPANHIA ENERGTICA DE PERNAMBUCO; CELTINS - COMPANHIA DE ENERGIA ELTRICA DO ESTADO DO TOCANTINS; CEMAR - COMPANHIA ENERGTICA DO MARANHO; CEMAT - CENTRAIS ELTRICAS MATOGROSSENSES S.A.; CEMIG - COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS; CENF - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DE NOVA FRIBURGO; CEPISA - COMPANHIA ENERGTICA DO PIAU; CERON - CENTRAIS ELTRICAS DE RONDNIA S.A; CFLO - COMPANHIA FORA E LUZ DO OESTE; CHESP - COMPANHIA HIDROELTRICA SO PATRCIO; COELBA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ESTADO DA BAHIA; COELCE - COMPANHIA ENERGTICA DO CEAR; COPEL - COMPANHIA PARANAENSE DE ENERGIA; COSERN - COMPANHIA ENERGTICA DO RIO GRANDE DO NORTE; CPEE - COMPANHIA PAULISTA DE ENERGIA ELTRICA; CPFL - COMPANHIA PAULISTA DE FORA E LUZ; DEM P.CALDAS - DEPARTAMENTO MUNICIPAL DE ELETRICIDADE DE POOS DE CALDAS; ELEKTRO - ELEKTRO ELETRICIDADE E SERVIOS S.A; ELETROACRE - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ACRE; ELETROCAR - CENTRAIS ELTRICAS DE CARAZINHO S.A.; ELETROPAULO - ELETROPAULO METROPOLITANA ELETRICIDADE DE SO PAULO S.A.; ENERGIPE - EMPRESA ENERGTICA DE SERGIPE S.A.; ENERSUL - EMPRESA ENERGTICA DE MATO GROSSO DO SUL S.A.; ESCELSA - ESPRITO SANTO CENTRAIS ELTRICAS S.A.; IGUAU DISTRIBUIDORA DE ENERGIA ELTRICA LTDA.; LIGHT SERVIOS DE ELETRICIDADE S.A.; MANAUS


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ENERGIA S.A.; COMPANHIA NACIONAL DE ENERGIA ELTRICA; HIDROELTRICA PANAMBI S. A.; EMPRESA DE ELETRICIDADE VALE PARANAPANEMA S.A.; COMPANHIA PIRATININGA DE FORA E LUZ; RGE - RIO GRANDE ENERGIA S.A.; SAELPA - SOCIEDADE ANNIMA DE ELETRIFICAO DA PARABA; EMPRESA LUZ E FORA SANTA MARIA S.A.; SULGIPE - COMPANHIA SUL SERGIPANA DE ELETRICIDADE.

ABEER Associao Brasileira das Empresas de Energia RenovvelABRACEEL Associao Brasileira dos Agentes Comercializadores de

Energia Eltrica ABRACEE Associao Brasileira de Grandes Consumidores

Industriais de Energia e de Consumidores Livres APINE Associao Brasileira dos Produtores Independentes de

Energia Eltrica - Os produtores independentes (PIEs) so empresas ou grupo de empresas reunidas em consrcio, com autorizao ou concesso para produzir energia destinada ao comrcio de toda ou parte da produo por sua conta e risco. Os PIs tm como garantia o livre acesso aos sistemas eltricos, alm disso, tm autonomia para fechar contratos bilaterais de compra e venda de energia eltrica.

1.5 Estrutura de um Sistema Eltrico de Potncia

O objetivo de um sistema eltrico de potncia (SEP) gerar, transmitir e distribuir energia eltrica atendendo a determinados padres de confiabilidade, disponibilidade, qualidade, segurana e custos, com o mnimo impacto ambiental e o mximo de segurana pessoal.

Confiabilidade e disponibilidade so duas importantes e distintas caractersticas que os SEPs devem apresentar. Ambos so expressos em %.

o Confiabilidade representa a probabilidade de componentes, partes e sistemas realizarem suas funes requeridas por um dado perodo de tempo sem falhar. Confiabilidade representa o tempo que o componente, parte ou sistema levar para falhar. A confiabilidade no reflete o tempo necessrio para a unidade em reparo retornar condio de trabalho.

o Disponibilidade definida como a probabilidade que o

sistema esteja operando adequadamente quando


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requisitado para uso. Em outras palavras, a probabilidade de um sistema no estar com falha ou em reparo quando requisitado para uso. A expresso abaixo quantifica a disponibilidade:

MTBFA

MTBF MTTR= + (1)

A availability (disponibilidade) MTBF tempo mdio entre falhas ou MTTF MTTR tempo mdio para reparo - inclui desde a deteco at a retificao da falha.

A disponibilidade funo da confiabilidade e da

manutenabilidade exerccio da manuteno. Se um sistema tem uma alta disponibilidade no necessariamente ter uma alta confiabilidade.

Tabela 1.2 Relao entre confiabilidade, manutenabilidade e disponibilidade.

[Fonte: http://www.weibull.com/hotwire/issue26/relbasics26.htm] Confiabilidade Manutenabilidade Disponibilidade Constante Diminuir Diminuir Constante Aumentar Aumentar Aumentar Constante Aumentar Diminuir Constante Diminuir

Como pode ser visto na Tabela 1.2, se a confiabilidade mantida constante, mesmo em um valor alto, isto no implica diretamente uma alta disponibilidade. Quando o tempo para reparo aumenta, a disponibilidade diminui. Mesmo um sistema com uma baixa confiabilidade poderia ter uma alta disponibilidade se o tempo para reparo curto.

Qualidade da energia a condio de compatibilidade entre sistema supridor e carga atendendo critrios de conformidade senoidal. Segurana est relacionado com a habilidade do sistema de responder a distrbios que possam ocorrer no sistema. Em geral


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os sistemas eltricos so construdos para continuar operando aps ser submetido a uma contingncia.

A estrutura do sistema eltrico de potncia compreende os sistemas de gerao, transmisso, distribuio e subestaes de energia eltrica, em geral cobrindo uma grande rea geogrfica.

Figura 1.7 Estrutura bsica de um sistema eltrico.

O sistema atual de energia eltrica baseado em grandes usinas de gerao que transmitem energia atravs de sistemas de transmisso de alta tenso, que ento distribuda para sistemas de distribuio de mdia e baixa tenso. Em geral o fluxo de energia unidirecional e a energia despachada e controlada por centro(s) de despacho com base em requisitos pr-definidos. Normalmente os sistemas de distribuio so gerenciados por monoplios empresariais, enquanto o setor de gerao e de transmisso apresenta certa competitividade em um sistema desverticalizado. A Figura 1.8 ilustra os trs segmentos tradicionais de redes de energia eltrica.


1-18

Figura 1.8 Estrutura tradicional de uma rede de energia eltrica. [Fonte: Aneel].

1.5.1 Gerao de Energia Eltrica Na gerao de energia eltrica uma tenso alternada produzida, a qual expressa por uma onda senoidal, com freqncia fixa e amplitude que varia conforme a modalidade do atendimento em baixa, mdia ou alta tenso. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema eltrico mantendo a freqncia constante e modificando a amplitude medida que trafegue por transformadores. Os consumidores conectam-se ao sistema eltrico e recebem o produto e o servio de energia eltrica. 1.5.2 Rede de Transmisso A rede de transmisso liga as grandes usinas de gerao s reas de grande consumo. Em geral apenas poucos consumidores com um alto consumo de energia eltrica so conectados s redes de transmisso onde predomina a estrutura de linhas areas. A segurana um aspecto fundamental para as redes de transmisso. Qualquer falta neste nvel pode levar a descontinuidade de suprimento para um grande nmero de consumidores. A energia eltrica permanentemente monitorada e gerenciada por um centro de controle. O nvel de tenso depende do pas, mas normalmente o nvel de tenso estabelecido est entre 220 kV e 765 kV.


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1.5.3 Rede de Sub-Transmisso

A rede de sub-transmisso recebe energia da rede de transmisso com objetivo de transportar energia eltrica a pequenas cidades ou importantes consumidores industriais. O nvel de tenso est entre 35 kV e 160 kV. Em geral, o arranjo das redes de sub-transmisso em anel para aumentar a segurana do sistema. A estrutura dessas redes em geral em linhas areas, por vezes cabos subterrneos prximos a centros urbanos fazem parte da rede. A permisso para novas linhas areas est cada vez mais demorada devido ao grande nmero de estudos de impacto ambiental e oposio social. Como resultado, cada vez mais difcil e caro para as redes de sub-transmisso alcanar reas de alta densidade populacional. Os sistemas de proteo so do mesmo tipo daqueles usados para as redes de transmisso e o controle regional. 1.5.4 Redes de Distribuio

As redes de distribuio alimentam consumidores industriais de mdio e pequeno porte, consumidores comerciais e de servios e consumidores residenciais.

Os nveis de tenso de distribuio so assim classificados segundo o Prodist:

Alta tenso de distribuio (AT): tenso entre fases cujo valor eficaz igual ou superior a 69kV e inferior a 230kV.

Mdia tenso de distribuio (MT): tenso entre fases cujo valor eficaz superior a 1kV e inferior a 69kV.

Baixa tenso de distribuio (BT): tenso entre fases cujo valor eficaz igual ou inferior a 1kV.

De acordo com a Resoluo No456/2000 da ANEEL e o mdulo 3 do Prodist, a tenso de fornecimento para a unidade consumidora se dar de acordo com a potncia instalada:

Tenso secundria de distribuio inferior a 2,3kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW;


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Tenso primria de distribuio inferior a 69 kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500 kW;

Tenso primria de distribuio igual ou superior a 69 kV: quando a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for superior a 2.500 kW.

As tenses de conexo padronizadas para AT e MT so: 138 kV (AT), 69 kV (AT), 34,5 kV (MT) e 13,8 kV (MT). O setor tercirio, tais como hospitais, edifcios administrativos, pequenas indstrias, etc, so os principais usurios da rede MT. A rede BT representa o nvel final na estrutura de um sistema de potncia. Um grande nmero de consumidores, setor residencial, atendido pelas redes em BT. Tais redes so em geral operadas manualmente.

Tabela 1.3 Tenses Nominais Padronizadas de Baixa Tenso Prodist Mdulo 3

A Figura 1.9 mostra um diagrama com a representao dos vrios segmentos de um sistema de potncia com seus respectivos nveis de tenso.


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Figura 1.9 Faixas de tenso de sistemas eltricos. Os nveis de tenses praticados no Brasil so: 765 kV, 525 kV, 500 kV, 440 kV, 345 kV, 300 kV, 230 kV, 161 kV, 138 kV, 132 kV, 115 kV, 88 kV, 69 kV, 34,5 kV, 23 kV, 13,8 kV, 440 V, 380 V, 220 V, 110 V. 1.6 Caractersticas do Sistema Eltrico Brasileiro

1.6.1 Gerao de Energia Eltrica no Brasil

O sistema de produo e transmisso de energia eltrica do Brasil pode ser classificado como hidrotrmico de grande porte, com forte predominncia de usinas hidreltricas e com mltiplos proprietrios. A maior parte da capacidade instalada composta por usinas hidreltricas, que se distribuem em 12 diferentes bacias hidrogrficas nas diferentes regies do pas de maior atratividade econmica. So os casos das bacias dos rios Tocantins, Paranaba, So Francisco, Paranaba, Grande, Paran, Tiet, Paranapanema, Iguau, Uruguai e Jacu onde se concentram as maiores centrais hidreltricas.

Classificao: Acima de 765 kV (UAT) 230kV


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[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]

Figura 1.10 Integrao eletroenergtica no Brasil.

Os reservatrios nacionais situados em diferentes bacias hidrogrficas, que no tm nenhuma ligao fsica entre si, funcionam como se fossem vasos comunicantes interligados por linhas de transmisso. A capacidade de gerao do Brasil em 2008 de 104.851.356 kW de potncia, com um total de total 2.100 empreendimentos em operao.

Figura 1.11 Participao de fontes de gerao no Brasil4. [Fonte: Annel]


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Os dez agentes de maior capacidade instalada no pas so apresentados na Tabela 1.4.

Tabela 1.4 Maiores agentes de capacidade instalada no Brasil (Usinas em Operao). Fonte: Aneel

N Agentes do Setor Potncia Instalada (kW)

1 Companhia Hidro Eltrica do So Francisco CHESF 10.618.327

2 Furnas Centrais Eltricas S/A. FURNAS 9.456.900

3 Centrais Eltricas do Norte do Brasil S/A. ELETRONORTE 9.256.933,10

4 Companhia Energtica de So Paulo CESP 7.455.300

5 Itaipu Binacional ITAIPU 7.000.000 6 Tractebel Energia S/ATRACTEBEL 6.965.350

7 CEMIG Gerao e Transmisso S/A CEMIG-GT 6.782.134

8 Petrleo Brasileiro S/APETROBRS 4.832.276,60

9 Copel Gerao e Transmisso S.A.COPEL-GT 4.544.914

10 AES Tiet S/AAES TIET 2.645.050

1.6.2 Sistema Interligado Nacional - SIN O parque gerador nacional constitudo, predominantemente, de centrais hidreltricas de grande e mdio porte, instaladas em diversas localidades do territrio nacional. Por outro lado, existe uma concentrao de demanda em localidades industrializadas onde no se concentram as centrais geradoras. Estas caractersticas so imperativas para a implantao de um sistema de transmisso de longa distncia. At 1999, o Brasil possua vrios sistemas eltricos desconectados, o que impossibilitava uma operao eficiente das bacias hidrogrficas regionais e da transmisso de energia eltrica entre as principais usinas geradoras. Com o objetivo de ampliar a confiabilidade, otimizar os recursos energticos e homogeneizar mercados foi criado o sistema 4 Legenda: CGH Central Geradora Hidreltrica (at 1MW); EOL Central Geradora Eolieltrica; PCH Pequena Central Hidreltrica (de 1MW a 30MW); SOL Central Geradora Solar Fotovoltaica; UHE Usina Hidreltrica de Energia; UTE Usina Termeltrica de Energia; UTN Usina Termonuclear.


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interligado nacional - SIN, o qual responsvel por mais de 95% do fornecimento nacional. Sua operao coordenada e controlada pelo Operador Nacional do Sistema Eltrico ONS. A Operao Nacional do Sistema Eltrico atravs do ONS concentra sua atuao sobre a Rede de Operao do Sistema Interligado Nacional. A Rede de Operao constituda pela Rede Bsica, Rede Complementar, e Usinas submetidas ao despacho centralizado, sendo a Rede Complementar aquela situada fora dos limites da Rede Bsica e cujos fenmenos tm influncia significativa nesta.

Figura 1.12 Redes de operao do sistema interligado nacional [Fonte: ONS]. O sistema interligado de eletrificao permite que as diferentes regies permutem energia entre si, quando uma delas apresenta queda no nvel dos reservatrios. Como o regime de chuvas diferente nas regies Sul, Sudeste, Norte e Nordeste, os grandes troncos (linhas de transmisso da mais alta tenso: 500 kV ou 750 kV) possibilitam que os pontos com produo insuficiente de energia sejam abastecidos por centros de gerao em situao favorvel.


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Figura 1.13 Exemplo de sistema eltrico interligado. Vantagens dos sistemas interligados: Aumento da estabilidade sistema torna-se mais robusto podendo

absorver, sem perda de sincronismo, maiores impactos eltricos. Aumento da confiabilidade permite a continuidade do servio em

decorrncia da falha ou manuteno de equipamento, ou ainda devido s alternativas de rotas para fluxo da energia.

Aumento da disponibilidade do sistema a operao integrada

acresce a disponibilidade de energia do parque gerador em relao ao que se teria se cada empresa operasse suas usinas isoladamente.

Mais econmico permite a troca de reservas que pode resultar em

economia na capacidade de reservas dos sistemas. O intercmbio de energia est baseado no pressuposto de que a demanda mxima dos sistemas envolvidos acontece em horrios diferentes. O intercmbio pode tambm ser motivado pela importao de energia de baixo custo de uma fonte geradora, como por exemplo, a energia hidroeltrica para outro sistema cuja fonte geradora apresenta custo mais elevado.

Desvantagens dos sistemas interligados: Distrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados. A operao e proteo tornam-se mais complexas.

Sistema A Sistema B

Sistema C Sistema D Sistema E


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1.6.3 Transmisso de Energia Eltrica no Brasil As linhas de transmisso no Brasil costumam ser extensas, porque as grandes usinas hidreltricas geralmente esto situadas a distncias considerveis dos centros consumidores de energia. Hoje o pas est quase que totalmente interligado, de norte a sul. As principais empresas investidoras em linhas de transmisso no pas esto relacionadas na Tabela 1.5.

Tabela 1.5 Maiores transmissores do pas Extenso de linhas (km) Fonte ABRATE Maio/2008

N Agentes do Setor km de linhas 1 FURNAS 19.082 2 CTEEP 18.495 3 CHESF 18.260 4 Eletrosul 10.693 5 Eletronorte 7.856 6 CEEE 6.008 7 CEMIG 4.875 8 COPEL 1.766

Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amap, Rondnia e parte dos Estados do Par ainda no fazem parte do sistema integrado de eletrificao. Nestes Estados, o abastecimento feito por pequenas usinas termeltricas ou por usinas hidreltricas situadas prximas s suas capitais. No Brasil, a interligao do sistema eltrico liga as diferentes regies do pas como pode ser visto no mapa da Figura 1.14 que apresenta o Sistema de Transmisso Nacional.


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[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]

Figura 1.14 Sistema de transmisso brasileiro [Fonte: Aneel]. Sistema norte centro-oeste o primeiro circuito de interligao,

conhecido por Linho Norte-Sul, foi construdo em 500 kV, com 1.277 km de extenso, capacidade de transmisso de 1100MW e com transferncia mdia de 600MW, o que representou o acrscimo de uma usina de 600MW para o sistema sul-sudeste brasileiro. Embora a interligao seja conhecida como ligao norte-sul o circuito interliga o estado de Tocantins ao Distrito Federal. Em maro de 2004 foi inaugurado o segundo circuito de interligao norte-sul II, com 1278 km de extenso, operando em 500 kV, passando pelas SE Imperatriz, no Maranho, Colinas, Miracema e Gurupi, no Tocantins, Serra da


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Mesa em Gois, e Samambaia em Braslia. Os circuitos em 500kV transmitem energia da UHE Luis Eduardo Magalhes Lajeado, localizada no rio Tocantins, entre os municpios de Lajeado e Miracema do Tocantins com potncia instalada de 902,5 MW. A UHE Lajeado o maior empreendimento de gerao realizado pela iniciativa privada no Brasil.

Expanso da linha de transmisso Interligao Norte-Sul (Centro-

oeste-Sudeste) com tenso de 500 kV. Essa linha interliga as subestaes de Samambaia (DF), Itumbiara (GO) e Emborcao (SP). A linha permitir o escoamento, para a regio Sudeste, da energia gerada pelas usinas de Lajeado (TO), Cana Brava (GO), e 2a etapa de Tucuru (PA).

Sistema interligado sudeste centro-oeste concentra pelo menos

60% da demanda de energia no Brasil. Sistema sul sudeste com energia transferida da usina de Itaipu (2

circuitos em CC em 600kV ligando a usina a So Roque (SP), 2 circuito 765kV ligando a usina a Tijuco Preto).

Sistema nordeste hoje a regio Nordeste importa energia eltrica

das hidreltricas de Lajeado, em Tocantins, Cana Brava, em Gois, e Tucuru I e II, no Par.

Grande parte da regio norte e uma parcela reduzida da regio centro-oeste, alm de algumas pequenas localidades esparsas pelo territrio brasileiro, ainda no fazem parte do sistema interligado, sendo o suprimento de energia eltrica efetuado, quando existente, por meio de pequenos sistemas eltricos isolados. Nesses casos, a produo de eletricidade normalmente efetuada por meio de unidades geradoras de pequeno porte, utilizando freqentemente motores Diesel como equipamento motriz. A existncia desses sistemas isolados, em algumas situaes, como o caso dos sistemas das cidades de Manaus, Boa Vista (Roraima) e Porto Velho (Rondnia), assumem propores de relativa significncia, com demandas superiores a 100MW, em grande parte responsveis pela predominncia da gerao termeltrica a diesel.


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Para atender s polticas externa e energtica, o Brasil est interligado aos pases vizinhos como Venezuela (para fornecimento a Manaus e Boa Vista), Argentina, Uruguai, e Paraguai. 1.6.4 Sistemas de Distribuio no Brasil Os sistemas de distribuio de energia eltrica no Brasil incluem todas as redes e linhas de distribuio de energia eltrica em tenso inferior a 230 kV, seja em baixa tenso (BT), mdia tenso (MT) ou alta tenso (AT). Alta tenso (AT): Tenso entre fases cujo valor eficaz igual ou

superior a 69 kV e inferior a 230 kV, ou instalaes em tenso igual ou superior a 230 kV quando especificamente definidas pela ANEEL.

Mdia tenso (MT): Tenso entre fases cujo valor eficaz superior a 1 kV e inferior a 69 kV.

Baixa tenso (BT): Tenso entre fases cujo valor eficaz igual ou inferior a 1 kV.

Tabela 1.6 Dez Maiores agentes de distribuio do pas (por consumo) Fonte ABRADEE Dez/2007

N Empresa Consumo em GWh 1 Eletropaulo 32.548 2 Cemig 20.693 3 CPFL 18.866 4 Copel 18.523 5 Light 18.235 6 Celesc 13.829 7 Coelba 11.403 8 Elektro 10.055 9 Celpe 8.171 10 Piratininga 8.015

1.7 Representao Esquemtica de Sistemas de Potncia Os smbolos para representao dos componentes eltricos so apresentados na Figura 1.15.


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Figura 1.15 Smbolos de componentes eltricos.

1.7.1 Caractersticas dos Sistemas Eltricos de Potncia

Os Sistemas Eltricos de Potncia apresentam as seguintes caractersticas: Normalmente so trifsicos;


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Apresentam um grande nmero de componentes; Possuem transformadores que particionam o sistema em sees de

diferentes nveis de tenso. 1.7.2 Representao do Sistema Eltrico Os sistemas eltricos podem ser representados graficamente atravs de:

- Diagramas Unifilares - Diagramas Multifilares - Diagrama Equivalente por Fase

a) Diagrama Unifilar

- Representa os principais componentes por smbolos e suas interconexes com a mxima simplificao e omisso do condutor neutro.

- Representa apenas uma fase do sistema. - Representam sistemas monofsicos ou trifsicos.

Na Figura 1.16 apresentado um diagrama unifilar simplificado de um sistema eltrico de potncia.

LEGENDA: G Gerao D Equipamento de Disjuno SE 1 Subestao Elevadora SE 2 Subestao Distribuidora LT Linha de Transmisso C Carga ou Consumidor

Figura 1.16 Diagrama unifilar simplificado de um SEP.

G

Sistema de Gerao

Sistema de Distribuio

Sistema de Transmisso

LT

SE 2 SE 1

D D D D ~


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Conforme apresentado na Figura 1.17, cada elemento de um sistema eltrico deve ser protegido atravs de um sistema de proteo.

Figura 1.17 Proteo de um alimentador de subestao.

b) Diagrama Multifilar Os diagramas multifilares podem ser bifsicos ou trifsicos. As Figuras 1.18 e 1.19 ilustram um diagrama trifilar, representando um circuito de sada de linha e uma linha de transmisso interligando subestaes, respectivamente.

Figura 1.18 Sada de um circuito de uma subestao de sub-trasmisso.


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Figura 1.19 Diagrama trifilar de uma LT interligando subestaes

com proteo sobrecorrente direcional funo 67.

c) Diagrama Equivalente Por Fase Representa as grandezas normalizadas. Simplifica a anlise numrica. Elimina o efeito particionador dos transformadores. Usado para mostrar os dados de impedncia de geradores, linhas,

transformadores, capacitores, cabos, etc.

Figura 1.20 Diagrama unifilar de sistema eltrico de potncia.


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Figura 1.21 Diagrama de impedncias.

As impedncias so usadas para clculos de queda-de-tenso, curto-circuito, carregamento de circuitos, etc.

Figura 1.22 Diagrama unifilar, trifilar e de impedncia.


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Aplicao: Um sistema trifsico alimentado em 60 Hz por uma fonte ca em 2400 V tenso de linha, que supre duas cargas paralelas: Carga 1: 300kVA FPD= 0.8 atrasado Carga 2: 240kVA FPD= 0.6 adiantado Construa diagrama unifilar do sistema. Qual o valor da corrente nas outras duas fases? 1.8 Tendncias para o Mercado de Energia Eltrica5 O desenvolvimento atual do modelo internacional de mercado de energia eltrica tem sido baseado em fluxo unidirecional de energia e, possivelmente, por razes tecnolgicas, em alguns casos, e razes econmicas, em muitos outros, o mercado est baseado em tarifas fixas e limitaes de informaes em tempo real sobre gerenciamento de carga. O mercado de transmisso e distribuio de energia eltrica est caracterizado por monoplios naturais dentro de reas geogrficas. A ausncia de competio faz com que as tarifas sejam controladas por agentes reguladores. A nova tendncia internacional de liberalizao do mercado de energia eltrica com o estabelecimento de comrcio de energia on-line e de consumidores com o direito de escolher seu supridor de energia eltrica. Atualmente a maioria dos usurios da rede de energia eltrica so receptores passivos sem nenhuma participao no gerenciamento da operao da rede. Cada consumidor simplesmente um absorvedor de eletricidade. As redes de energia eltrica devero em um futuro no longnquo permitir que seus usurios exeram um papel ativo na cadeia de suprimento de energia eltrica. Com a consolidao da gerao distribuda em um mercado liberalizado de energia eltrica, um novo modelo de gerao dever surgir em que coexistiro gerao centralizada e gerao descentralizada. Um grande 5 M.S. Jimenez. Smart Electricity Network based on Large Integration of Renewable Sources and Distributed Generation. PhD Thesis presented at Kassel University. June of 2006. 158 pages.


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nmero de pequenos e mdios produtores de energia eltrica com tecnologia baseada em fontes renovveis de energia dever ser integrado rede eltrica. Milhares de usurios tero gerao prpria tornando-se ambos, produtores e consumidores de energia eltrica. O mercado de energia eltrica dever fazer uso pleno de ambos, grandes produtores centralizados e pequenos produtores distribudos. Pequenos produtores quando operando interligados rede de distribuio em baixa tenso do origem a um novo tipo de sistema de potncia denominado de Microredes. As microredes podem operar em modo autnomo ou como parte da rede principal de energia eltrica. Quando vrias fontes so conectadas entre si e operam de forma conjunta e coordenada d origem ao que se denomina de plantas de gerao virtual.

Figura 1.23 Micro rede.

As Plantas Virtuais de Gerao so operadas coletivamente por uma entidade de controle centralizado, pois assumem a grandeza de uma planta convencional podendo operar no mercado de energia eltrica.

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