PROJETO RMLT - Dados do projeto:
Título:
Estações meteorológicas em torres de alta tensão para monitoramento de condições ambientais.Área geográfica:
Regiões Sul, Sudeste e Nordeste.Setor da economia:
- Produção e distribuição de energia elétrica;- Pesquisa e desenvolvimento das ciências físicas e naturais.
Área / subárea de conhecimento:
- Sistemas elétricos de potência;- Engenharia térmica.
Objetivo geral:
Definir requisitos e metodologia para a utilização de estações meteorológicas instaladas em torres de alta tensão para a medição e transmissão em tempo real de dados de velocidade e direção do vento, umidade, temperatura de bulbo seco do ar, radiação solar, pressão atmosférica, e precipitação, com a finalidade de determinar os limites de carregamento dinâmico de LTs, e aprimorar a determinação dos limites de carregamento a serem utilizados em estudos de expansão da rede elétrica, programação e planejamento da operação e operação em tempo real.
Justificativa resumida:
Este projeto-piloto, que representa uma oportunidade para aplicação dos resultados alcançados no Projeto SISCARGA, desenvolvido pela UFSC e ONS, deverá oferecer as condições para a determinação dos limites de carregamento de linhas de transmissão considerados nos estudos de definição de ampliações e reforços na Rede Básica, planejamento e programação da operação, assim como na operação em tempo real. Esses limites podem ser determinados numa base real através do conhecimento das condições climáticas favoráveis nas vizinhanças de linhas de transmissão, todavia sem descurar da segurança das instalações, conforme estabelecido em normas vigentes. O projeto contemplará a ANEEL com um banco de dados atualizado e confiável, para o projeto para novas LTs e bem como de informações para aprimoramento regulatório do setor elétrico.
Justificativa detalhada
A norma brasileira NBR 5422, de fevereiro de 1985,
estabelece as condições para o projeto de linhas
aéreas de transmissão de energia elétrica com
tensão máxima, valor eficaz fase-fase, acima de 38kV e
não superior a 800kV, de modo a garantir níveis
mínimos de segurança e limitar perturbações
nas instalações próximas as LTs. Valores de
referência para a temperatura ambiente, velocidade e
direção do vento na vizinhança do condutor bem
como a intensidade da radiação solar global incidente
sobre o mesmo, são parâmetros meteorológicos
utilizados no projeto das linhas aéreas de transmissão.
As recomendações para a obtenção e
tratamento dos dados de temperatura e de vento estão contidas,
respectivamente, nos anexos B e C da NBR 5422. Esta norma está
atualmente sob revisão, sendo que uma das
modificações propostas a mesma considera a necessidade do
tratamento estatístico dos dados de temperatura, velocidade e
direção do vento e distribuição sazonal e
geográfica da máxima radiação solar
incidente, ao invés dos parâmetros de referência
adotados na norma. Essa modificação somente pode ser
justificada com base em dados tratados estatisticamente, coletados em
estações localizadas em sítios climatologicamente
representativos ao longo de LTs.
A prática da monitoração de LTs com a finalidade
de realizar projeção de ampacidade dinâmica tem
sido adotada pela CEMIG no Brasil. Na Espanha a empresa Red
Eléctrica de España monitora a linha de
transmissão do circuito de Madrid, através de dezenove
estações meteorológicas estrategicamente
instaladas ao longo do circuito. A experiência foi iniciada em
1993 através de um projeto intitulado "Implementación de
límites térmicos dinámicos em tiempo real em las
líneas eléctricas aéreas (DITER)". No estado de
Qwensland na Austrália, é correntemente realizada a
projeção de temperaturas máximas previstas nas
linhas de transmissão através de dados coletados na rede
de estações do serviço meteorológico
regional. As projeções de temperatura são
disponibilizadas online pela empresa Powerlink, responsável
pelos serviços de projeção de ampacidade
dinâmica das LTs regionais.
O progresso científico alcançado no desenvolvimento de
modelos físicos de simulação da atmosfera em
diferentes escalas tem sido vertiginoso. Presentemente existem modelos
físicos tais como o ARPS - Advanced Regional Prediction System,
capazes de realizarem previsão de tempo de meso-escala, com
antecedência de 12 horas, com grau com aderência espacial
superior a 80% para a temperatura, direção e velocidade
do vento, umidade relativa, precipitação,
radiação e pressão. Durante o projeto SISCARGA, o
software do modelo ARPS foi implementado no cluster computacional
adquirido para este fim. Foram realizadas várias rodadas, com
resolução espacial de 10km x 10km e na região-alvo
de teste do modelo, centrada na plataforma experimental de
validação de Campos Novos, foram rodados vários
casos com resolução de 2km x 2km. Essa
resolução permitiu identificar padrões de
escoamento do vento e transporte de quantidade de movimento na
atmosfera que serviram para demonstrar a influência de efeitos de
micro-escala decorrentes da topografia e da cobertura vegetal, chamadas
de regiões de estagnação do fluxo. Os dados
teóricos obtidos do modelo ancorado na torre de
medição de vento e temperatura para a
estação meteorológica do LEPTEN de Joinville
sinalizam para a viabilidade de utilização do modelo ARPS
para previsão de parâmetros atmosféricos de
relevância para ampacidade, com antecedência de três
horas. Tais previsões foram realizadas no contexto das rodadas
normais com o modelo ancorado nas estações de
superfície do sistema de previsão de tempo e clima
global. O aumento da densidade de estações de
superfície, para os estados do sul do Brasil, bem como de
estações de superfície instaladas em LTs,
deverá por certo contribuir para melhorar os resultados
teóricos de previsão derivados do modelo.
O modelo ARPS foi também utilizado no projeto SISCARGA e mesmo
para gerar informações climatológicas no interesse
do ONS, como ferramenta digital para realizar estatística de
dados meteorológicos através do downscale, que é
uma técnica de interpolação física de campo
de parâmetros meteorológicos, tais como, temperatura,
velocidade e direção do vento e outros. Neste particular,
a rodada do modelo para um período passado de cinco anos
permitirá formar uma base climatológica a partir da qual
critérios mais precisos de interpolação podem ser
derivados para determinar os parâmetros relevantes de ampacidade
ao longo da LT no espaço compreendido entre duas
estações de monitoração. O presente projeto
oferece a oportunidade de aplicar a técnica para projetar
ampacidade em tempo real ao longo da LT. Para tanto, os dados de
velocidade e direção do vento, umidade e temperatura do
ar, radiação solar, e precipitação,
deverão estar disponibilizados, tanto para determinar ampacidade
em tempo real quanto para proceder a interpolação. Por
outro lado, a disponibilização dos dados coletados e
qualificados em tempo real bem como os dados interpolados, além
de permitir a consolidação de uma base de dados para
efeitos de projeto de novas LTs, oferecerá ao ONS a
possibilidade de tomada de decisão em relação
à capacidade de carregamento das LTs nacionais.
O presente projeto contemplará a aplicação dos
resultados de pesquisa desenvolvidos no contexto do projeto SISCARGA,
que estabeleceu as rotas científicas para
simulação da atmosfera e obtenção de dados
para análise dos modelos de carregamento de LTs, através
de uma plataforma experimental de teste de ampacidade localizada na SE
da ELETROSUL em Campos Novos - SC, como também de uma
estação de monitoramento na LT 525 kV Areia - Campos
Novos (ELETROSUL). Estes resultados serão utilizados no projeto
proposto, objetivando efetiva agregação de valor aos
resultados esperados.
Metodologia:
A metodologia a ser utilizada consiste inicialmente
na prospecção nacional e internacional do uso de tais
tecnologias, assim como o levantamento do plantel de fabricantes de
estações meteorológicas compactas, através
de contactos e missões técnico-científicas e,
possivelmente, de um Workshop sobre Sistemas de Medição.
O software de simulação do modelo ARPS (Advanced Regional
Prediction System) será implementado num cluster dedicado
às atividades de downscaling e simulação da
atmosfera, com foco nas regiões das Linhas de
Transmissão-piloto. O cluster deverá ter a
necessária robustez para rodada do software com
resolução básica 10km x 10km, todavia com
resolução espacial maior nas proximidades das LTs nas
quais, resoluções de até 0,3km x 0,3km
serão consideradas. As regiões-alvo cobrirão a
superfície contendo as linhas de transmissão objeto do
projeto-piloto.
Cluster computacional: O cluster com 8 CPU, como o
existente no LEPTEN, necessita de 40 minutos de CPU para integrar cada
dia, válidos para o Sul do Brasil com 10 x 10 km e 23
níveis verticais. A capacidade de pico atual cluster é de
100 GigaFlop/s. Assim, para gerar 5 anos de simulação,
válidos para quase todo o Sul do Brasil, são
necessários 57 dias de tempo de máquina.
Para atender aos objetivos do SISCARGA, os resultados de downscale devem
ter resoluções na faixa de 2x2km para que seus resultados
sejam ideais. Como em modelo atmosféricos a exigência em
termos de tempo necessário cresce com uma razão a quarta
potência do número de pontos. Assim, o tempo
necessário para simulações para o Sul do Brasil
com o cluster LEPTEN deve ser superior a 1 ano. Para o Brasil inteiro,
seriam necessários quase 15 anos de simulação.
Desta forma é necessário aumentar o tamanho do poder de
cálculo do cluster do LEPTEN em mais de 15 vezes.
A intensa competição entre os fabricantes de microprocessadores
INTEL, AMD e IBM têm produzido ganhos de custos/desempenho nunca antes
observados. Nas atuais circunstâncias de intensa concorrência, pode-se
estimar em 200 mil reais o custo de um equipamento de 5 TeraFlop/s.
As vantagem da computação de alto-desempenho e o
"downscale" são em reduzir o número de
estações necessários além de poder
recuperar informações passadas permitindo o uso de
metodologias como a ampacidade dinâmica.
Downscaling é uma técnica que permite fazer
uma interpolação física dos campos de temperatura
e vento a partir das chamadas re-análises levadas a efeito
efetuadas pelo NCEP (National Environmental Prediction Center) dos EUA
e dados existentes, com alta resolução espacial e
freqüência temporal. Para tanto, são usados modelos
numéricos de meso-escala. Esta técnica tem resultado nos
melhores conjuntos de dados meteorológicos hoje existentes sobre
a América do Sul. O downscaling terá por objetivo
consolidar o algoritmo de interpolação física,
ancorado nas redes de coleta de dados existentes, bem como na rede de
coleta de dados das LTs, objetos do presente projeto. A
interpolação física pode ser validada
experimentalmente através da comparação dos dados
coletados numa estação situada entre duas outras ao longo
da LT. Os dados de radiação solar incidente podem ser
estatisticamente avaliados através do downscaling e comparados
com dados de máxima radiação incidente
horária em cada pixel das regiões-alvo. Tais dados
estão disponíveis no LEPTEN, como subproduto da base de
dados do projeto SWERA - Solar Wind Energy Resources Assessment,
financiado pela UNEP/GEF, do qual o LEPTEN participou em parceria com o INPE.
No contexto deste projeto, será proposto um padrão de
qualidade de instrumentação, controle, coleta,
transferência, qualificação e arquivo dos dados
experimentais, segundo procedimentos padronizados estabelecidos pela
rede de referência BSRN/WMO, à qual o laboratório
de execução deste projeto, LEPTEN, é integrado,
com duas estações-padrão localizadas em
Florianópolis e UHE Balbina. Este padrão será
implementado em estações-piloto instaladas nas
regiões Sul, Sudeste e Nordeste do Brasil.
Com base nos dados coletados e simulados, será construída
uma base de dados de ampacidade regional e sazonal para as LTs objeto
do projeto. As bases de dados serão consolidadas e
disponibilizadas num servidor dedicado com endereço de acesso
específico do presente projeto, aberto aos potenciais
usuários.
O sistema de comunicação para controle das
estações de coleta de dados e transferência de
dados, bem como a configuração das
estações, serão definidos após um
levantamento das condições das LTs, afim de conciliar as
restrições das LTs bem como as facilidades
logísticas das instalações, com as demandas do
projeto da rede de coleta de dados. O levantamento levará em
consideração uma combinação de fatores tais
como comunicação, condições
climáticas notáveis e representativas e topografia ao
longo da LT. A linha-de-visada entre as estações é
um pré-requisito para a transmissão do sinal. Outro fator
a ser considerado é a disponibilidade de conexão à
internet ao longo da LT, e a quantidade de estações e
dados a serem manipulados em uma repetidora. A
comunicação poderá ser feita de forma
híbrida via link de rádio direta ou com repetidoras,
além de celular e Internet, conforme for o caso. O sistema de
aquisição previamente selecionado para este projeto pode
ser configurado para desempenhar simultaneamente as atividades de
coletor e receptor de dados de outras estações, bem como
de transmissor de dados para outras estações, de sorte a
formar uma rede integrada. As estações de coleta de dados
podem estar distanciadas entre si em até 40 km, dependendo da
topografia do terreno. Qualquer estação de coleta e
comunicação pode ser conectada ao longo da LT à
internet de sorte a permitir que os dados de toda a rede sejam enviados
ao centro de recepção no LEPTEN em Florianópolis.
Uma vez que os dados qualificados estejam disponibilizados num PC de
controle dedicado, esses dados podem ser acessados externamente pelo
usuário. Os dados serão disponibilizados através
do IDD - "Internet Data Distribution" que é o padrão para
disponibilização de dado meteorológicos adotados
pela OMM - Organização Mundial de Meteorologia. Já
a validação de dados será feita com base no QCMS-
"Quality Control and Monitoring System", que faz parte do MADIS -
"Meteorological Assimilation Data Ingest System" da NOAA.
O presente projeto deverá gerar uma robusta demanda de
serviços especializados de engenharia de software de ampacidade,
de integração de software de ampacidade com o software do
algoritmo ARPS, de controle e qualificação de dados e do
cálculo da ampacidade em tempo real. Serão demandados
serviços de provisão de base de dados de alta
resolução, relativos a topografia e a cobertura vegetal
nas vizinhanças das LTs bem como de levantamento de dados sobre
o projeto das LTs objetos do projeto- piloto. Esses serviços
deverão ser demandados e contratados durante todo o
período de execução do projeto.
Resultados esperados:
1. Subsídios para a otimização da
operação do SIN;
2. Subsídios para a otimização da
expansão do SIN;
3. Modicidade Tarifária;
4. Transferência de tecnologia para Universidades e
Agentes do Sistema de Transmissão, como forma de disseminação
do conhecimento adquirido;
5. Ampliação da capacidade
tecnológica da indústria nacional de equipamentos de
monitoração e transmissão de dados;
6. Informações técnico-científicas para
projetos mais seguros de LTs.
Metas físicas:
1. Levantamento do estado da arte sobre a determinação
de limites dinâmicos, através de dados
meteorológicos coletados através de estações
meteorológicas;
2. Treinamento e capacitação de
técnicos e engenheiros contratados com recursos do projeto, para
supervisionar a operação, coleta e transmissão dos
dados, bem como para qualificação de dados para
determinação de ampacidade em tempo real;
3. Definição da forma de organização de uma
rede espacial de dados meteorológicos;
4. Seleção de prováveis locais
críticos na Rede Básica, regiões Sul, Sudeste e
Nordeste, para a instalação das estações
meteorológicas para o projeto piloto;
5. Especificação e aquisição
das estações meteorológicas e equipamentos de
computação;
6. Instalação e operação de tais
estações nos locais determinados;
7. Interpolação e previsão de dados
meteorológicos ao longo da LT, no espaço compreendido
entre estações meteorológicas de
monitoração;
8. Desenvolver um sistema de coleta,
recepção, tratamento e processamento de dados
meteorológicos para a definição dos dados para o
cálculo do carregamento dinâmico das linhas de
transmissão da Rede Básica do SIN;
9. Implementação modelos e softwares desenvolvidos em
infra-estrutura computacional especialmente projetada e adquirida para esse fim;
10. Avaliação do rebatimento dos resultados na metodologia
existente para determinação de limites de carregamento de linhas
de transmissão, inclusive sazonais, utilizados para estudos elétricos
na expansão, planejamento da operação e operação
em tempo real;
11. Consolidação de proposta para
aperfeiçoamento da metodologia de determinação dos
limites de carregamento a partir dos valores observados de limites
dinâmicos.
Impactos previstos pelo projeto:
Impacto científico:
1. Estudo de micro-escala para a compreensão dos mecanismos
de transporte de quantidade de movimento e energia na camada-limite
atmosférica.
2. Endereçamento de uma dissertação de
mestrado e uma tese de doutorado, no período de 36 meses de
execução do projeto.
3. Geração de subprodutos de base
estatística sobre os parâmetros mais relevantes de
importância para o estudo de energia da atmosfera,
particularmente as energias solar e eólica.
4. Captação numérica e
previsão de fenômenos de grande intensidade e curta
duração que oferecem risco as linhas de
transmissão do Brasil.
5. Publicação dos resultados considerados cientificamente relevantes.
Impacto tecnológico:
1. Otimização da operação da
rede elétrica brasileira com a adoção de limites
dinâmicos para carregamento de linha de transmissão;
2. Informações sobre o
histórico de campos de velocidade de vento de importância
para a previsão de geração eólica.
Impacto econômico:
1. Redução dos custos para os consumidores
com a adiamento da construção de LTs devido a
utilização de limites dinâmicos.
Impacto social
1. Maior confiabilidade no fornecimento de energia elétrica e
redução de tarifas;
2. Modicidade tarifária;
3. Critérios mais eficientes para expansão da rede.
Impacto ambiental:
1. Adiamento da construção de novas linhas de
transmissão com minimização do impacto ambiental;
2. Uso mais eficiente e seguro das linhas de transmissão.
Publicações:
SAKAGAMI, Yoshiaki; HAAS, Reinaldo; SCUSSEL, Júlio Nelson; GRUMICHE,
Rodrigo; COLLE, Sergio.
Rede de monitoramento em linhas de transmissão (RMLT): resultados do
piloto. In: XV Congresso Brasileiro de Meteorologia - XV CBMET 2008,
São Paulo. Anais do XV CBMET 2008.
SAKAGAMI, Yoshiaki; HAAS, Reinaldo; OLIVEIRA, Pedro Magalhães de;
PASSOS, Júlio César; COLLE, Sergio.
Thermal risk assessment on overhead conductors using numerical weather modeling. In: 20th
International Congress of Mechanical Engineering. November 15-20, 2009, Gramado/RS - Brazil.
Proceedings of COBEM 2009.
Referências bibliográficas: clique aqui!
