370122-Unidade_1_Introducao_a_Sistemas_de_Energia_Eletrica

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Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência
Fonte: Power System Stability and Control, Prabha Kundur
 Uso comercial da EE inicia na década de 1870 (iluminação residencial e urbana)
 Primeiro sistema elétrico de potência completo: Pearl Street Station (New York), set/1882
• Sistema CC (gerador CC acionado por turbina a vapor) de 110 V
• Área com raio de 1,5 km (sistema de cabos subterrâneos)
• 59 consumidores (exclusivamente iluminação incandescente)
• Em 1884 são adicionados motores 
 Em 1886 os problemas de sistemas CC tornam-se aparentes
 Perdas ôhmicas elevadas restringem as distâncias envolvidas
 Necessidade de elevação dos níveis de tensão na transmissão
 Stanley/Westinghouse testam o primeiro transformador comercial com sistema de 
distribuição em CA (Massachusetts, 150 lâmpadas) 
 Em 1889 instala-se a primeira linha de transmissão em CA (Oregon, EUA)
 Em 1888 Tesla registra diversas patentes de sistemas polifásicos (geradores CA, 
transformadores, motores CA e sistemas de transmissão)
 Década de 1890 ocorrem discussões de sistemas CC x CA 
 Edison x Tesla
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência
Fonte: GLOVER, SARMA, OVERBYE, Power Systems – Analysis & Design
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência
Fonte: Power System Stability and Control, Prabha Kundur
 Uso de sistemas CA:
 Níveis de tensão podem ser facilmente modificados (flexibilidade de níveis de 
tensão para geração, transmissão e consumo)
 Geradores CA são muito mais simples do que geradores CC
 Motores CA são muito mais simples e baratos do que motores CC
 Nos EUA:
 1893 - primeira linha de transmissão trifásica (2,3 kV, 12 km, sul da Califórnia)
 1893 ca. – Niagara Falls adota sistema CA (atendimento de Buffalo, 30 km), 
finalizando a discussão CA x CC
 Nos primórdios, frequência sem normatização: usos de 25, 50, 60, 125 e 133 Hz, 
levando a problemas de interconexão de sistemas 
 Níveis de tensão na transmissão:
 Inicialmente, 12, 44 e 60 kV
 1922 (165 kV), 1923 (220 kV), 1935 (287 kV), 1953 (330 kV), 1965 (500 kV), 
1966 (735 kV, Hydro Quebec, Canadá), 1969 (765 kV, EUA)
 Níveis atuais de tensão normatizados:
 Classe de alta tensão (HV): 115 kV, 138 kV, 161 kV, 230 kV
 Classe de extra alta tensão (EHV): 345 kV, 500 kV, 765 kV
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência
Fonte: Power System Stability and Control, Prabha Kundur
 Uso de sistemas HVDC (High Voltage DC):
 Motivados pelo desenvolvimento de válvulas de válvulas a arco de mercúrio (década 
de 1950)
 Próprios para casos específicos (transmissão de grandes blocos de potência a 
grandes distâncias)
 Economicamente viáveis para distâncias maiores de 500 km (redes aéreas) e 50 km 
(redes subterrâneas)
 Permitem conexão assíncrona entre sistemas 
 Conexão síncrona inviável para frequências diferentes
 Em certos casos a conexão síncrona entre sistemas pode ser instável
 Primeira conexão HVDC moderna: 1954, Suécia (conexão com a ilha de Gotland, 
cabo submarino, 96 km)
 Advento de conversores com válvulas tiristorizadas
 1972, El River (esquema back-to-back, conexão Quebec – New Brunswick)
 Grandes corredores atuais entre Quebec e New York
 Transmissão CC brasileiro (transmissão bipolar ± 600 kV CC)
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência
Fonte:
1886 - uma linha monofásica com 29.5 km e capacidade de 2700HP, para Roma, Itália;
1888 - uma linha trifásica, em 11kV, com 180km na Alemanha;
1890 - primeira linha CA, de 20km, monofásica no estado de Oregon, EUA, operando em 
3.3kV;
1907 - já era atingida a tensão de 110kV;
1913 - foi construída uma linha de 150kV;
1923 - foram construídas linhas de 230kV;
1926 - foram construídas linhas de 244kV;
1936 - a primeira linha de 287kV entrou em serviço;
1950 - entrada em serviço de uma linha de 1000km de comprimento, 50Hz e 400kV, na 
Suécia;
1953 - alcançada a tensão de 345kV nos EUA;
1963 - energizada a primeira linha de 500kV nos EUA;
1965 - é energizada a primeira linha de 735kV no Canadá.
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Evolução dos sistemas elétricos de potência
Fonte: http://www.engenheirosassociados.com.br/artigos/generalidade_linhas_transmisssao.php)
A primeira linha de transmissão de que se tem registro no Brasil, foi construída por volta de 
1883, na cidade de Diamantina , Minas Gerais. Tinha por fim transportar a energia produzida em 
uma usina hidrelétrica, construída por duas rodas d’água e dois dínamos Grame, a uma distância 
de 2km, aproximadamente. A energia transportada acionava bombas hidráulicas em uma mina de 
diamantes. Consta que era a LT mais longa do mundo na época.
Em 1901, com a entrada em serviço da central hidrelétrica de Santana do Parnaíba, a então San 
Paulo Tramway Light and Power Co. Ltd. Construiu as primeiras linhas de seu sistema de 40kV. 
Em 1914, com a entrada em serviço da usina hidrelétrica de Itupararanga, a mesma empresa 
introduziu o padrão 88kV, que até hoje mantém e adotou também para subtransmissão. Esse 
padrão de tensão foi, em seguida, adotada pela Companhia Paulista de Estradas de Ferro, Estrada 
de Ferro Sorocabana e, através desta, USELPA, hoje integrada ao sistema Cesp. Entre 1945 e 1947, 
foi construída a primeira linha de 230kV no Brasil, com um comprimento aproximado de 330km, 
destinada a interligar os sistemas Light Rio-São Paulo, operando inicialmente em 170kV e, 
passando, em 1950 a operar em 230kV. Foi também a primeira interligação em dois sistemas 
importantes no Brasil. Seguiram-se a partir daí, as linhas de 345kV da CEMIG e FURNAS, 460kV da 
CESP, as linhas de 500kV do sistema de FURNAS e 800kV do sistema ITAIPU.
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência (Brasil)
 Até 1950: empresas privadas responsáveis pela geração, transmissão e distribuição de EE
 A partir de 1950: substituição das empresas privadas por empresas criadas pelos estados
 CEEE, CEMIG, CESP, ....
 1963: criação da Eletrobrás (Centrais Elétricas Brasileiras)
 1995: início da privatização do setor elétrico brasileiro
 Concessão para venda das empresas estatais
 1996: criação da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica)
 Objetivo: regularizar e fiscalizar o funcionamento técnico, econômico e 
administrativo de 70 empresas que estruturavam o sistema elétrico brasileiro
 2000: ANEEL abre o Mercado de Ações de Energia (MAE)
 Início do mercado livre para compra de EE por grandes companhias e indústrias
 A liberação do mercado tornaria possível que esses consumidores escolhessem o 
fornecedor, sob critérios de preços e garantia de entrega estabelecidos com os 
novos consórcios de venda de energia
Fonte: http://www.guiafloripa.com.br/sites/energia/energia/eletricidade.php 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência (Brasil)
 2005: companhias e indústrias podem optar pelo fornecedor de eletricidade
 A tendência esperada pela ANEEL era que as despesas com energia diminuíssem no 
médio e longo prazos e beneficiassem o consumidor final
 Pelos planos, consumidores individuais também poderiam optar pelo fornecedor de 
eletricidade, como ocorreu com a abertura do mercado de telefonia
 Planos de reestruturação do setor elétrico acabam sendo atropelados por uma crise 
de eletricidade disparada pela falta de investimentos na década anterior e pelo 
gerenciamento inadequado dos estoques dos reservatórios que se somaram a uma 
estiagem prolongada sobre a área do maior parque gerador para a região Sudeste 
(2001).
 O sistemahidroelétrico responsável por quase 90% da oferta de energia ficou à mercê 
dos estoques reservas e do regime de chuvas:
 No período de 1987-2000, o consumo aumentou, em média, 5% ao ano e os 
recursos para expansão do sistema foram reduzidos de R$ 16 bilhões, em 1987, para 
R$ 3 bilhões, em 2000
 A política de cortes, iniciada ainda na década de 1980 foi consolidada na década 
seguinte como parte do programa de ajustes às normas estabelecidas pelos 
financiadores internacionais, entre eles o Banco Mundial (Bird) e o Fundo Monetário 
Internacional, para o setor energético
Fonte: http://www.guiafloripa.com.br/sites/energia/energia/eletricidade.php 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência (Brasil)
 Lançamento do programa de instalação de 49 termoelétricas movidas a gás natural, a 
partir de 2000, mostrou-se uma alternativa pouco consistente:
 Das 15 primeiras usinas que saíram do papel, 13 começaram a ser construídas 
somente depois que a Petrobrás associou-se ao programa, comprou tecnologia 
(turbinas) e assumiu a venda da energia
 Energia mais cara do que aquela produzida pelas antigas hidrelétricas, com 
custo já amortizado
 Geração dependendo de insumo importado do Gasoduto Brasil-Bolívia (gás 
pago em dólar)
 Mesmo com o funcionamento regular das hidrelétricas, com custos de 
produção menor, o sistema incorporaria o custo mais caro das termoelétricas.
 No começo da crise, em 2000, o Dieese registrou que os preços de energia 
aumentaram 12,4% contra os 7,21% de inflação no período
 A previsão do governo, em fevereiro de 2002, foi que as tarifas deveriam subir, 
pelo menos, até 22% além da inflação até 2006, em virtude da liberação do 
mercado e da entrada de energia mais cara (das termoelétricas) no sistema
 Em São Paulo, o programa enfrenta a malha fina da área ambiental para obter 
o licenciamento de construção. 
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Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência (Brasil)
 Embora o risco de apagão tenha sido contido pelo atendimento popular às medidas de 
racionamento, na esteira da crise sobraram novos problemas e velhas incertezas:
 A conta milionária das perdas de receita das distribuidoras foram encaminhadas às 
geradoras e repassadas ao governo, sob alegação de que as cláusulas contratuais de 
garantia de entrega da energia não poderiam ser cumpridas nas condições técnicas 
e legais existentes em virtude do racionamento
 A ANEEL, que deveria regular as atividades do setor, e o Conselho Nacional de 
Política Energética, que teria a incumbência de estabelecer as diretrizes políticas, 
sofreram esvaziamento do poder decisório com a criação da Câmara de Gestão da 
Crise de Energia Elétrica
 O MAE, onde as empresas deveriam comprar e vender eletricidade com preços 
definidos pelo próprio mercado, acabou envolvido em denúncias de nepotismo, 
sofreu a concorrência de leilões privados, com preços menores que o seu pregão, e 
foi extinto para ser criado um novo mercado (2004)
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Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência (Brasil)
 Seis anos depois do início da reforma do setor elétrico (2010), o Estado tem o monopólio 
da transmissão e ainda controla 78% da geração e 30% da distribuição, áreas que 
deveriam estar privatizadas de acordo com os planos iniciais
 Além dos problemas para efetiva abertura do mercado numa situação de escassez na 
oferta, com preços de energia “velha” das hidrelétricas regulados pelo governo, o sistema 
mantém distorções de preços entre regiões em vista de subsídios cruzados e enfrenta 
gargalos na rede de transmissão que, embora interligada, não consegue transmitir para o 
Sudeste os possíveis excedentes gerados no Sul
 Diante da situação confusa de implementação do novo modelo, a própria atuação do 
Operador Nacional do Sistema (ONS), que deveria identificar as necessidades de 
expansão do mercado, restringiu-se à proposição de reforços para manter a 
confiabilidade do sistema, relegando a segundo plano os projetos de aumento da rede de 
transmissão.
 A indefinição das Minas e Energia e da Eletrobrás, com a criação de outros órgãos 
governamentais, sobre o novo modelo setorial reflete arranjos que privilegiaram 
tratamento político para questões técnicas e acabaram pulverizando o poder de decisão 
do próprio Ministério 
Fonte: http://www.guiafloripa.com.br/sites/energia/energia/eletricidade.php 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Evolução dos sistemas elétricos de potência (Brasil)
http://www.osetoreletrico.com.br/web/documentos/fasciculos/ed38_direito_em_energia_eletrica.pdf
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Entidades do setor elétrico brasileiro
Fonte: http://www.dee.ufc.br
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Entidades do setor elétrico brasileiro
 ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica)
 Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalização, a produção, 
transmissão, distribuição e comercialização de energia, em conformidade com as 
políticas e diretrizes do Governo Federal. A ANEEL detém os poderes regulador e 
fiscalizador. 
 ONS (Operador Nacional do Sistema)
 Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e fiscalização da 
ANEEL, tem por objetivo executar as atividades de coordenação e controle da 
operação de geração e transmissão, no âmbito do SIN (Sistema Interligado Nacional)
 O ONS é responsável pela operação física do sistema e pelo despacho energético 
centralizado
 Equivale ao ISO (Independent System Operator) implementado em diversos países 
 CCEE (Câmara de Comercialização de Energia Elétrica)
 Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e fiscalização da 
ANEEL, com finalidade de viabilizar a comercialização de energia elétrica no Sistema 
Interligado Nacional – SIN
 Administra os contratos de compra e venda de energia elétrica, sua contabilização e 
liquidação. A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema 
Fonte: http://www.dee.ufc.br
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Entidades do setor elétrico brasileiro
Fonte: http://www.dee.ufc.br
 CNPE (Conselho Nacional de Política Energética)
 Órgão de assessoramento do presidente da República para a formulação de 
diretrizes nacionais e políticas nacionais e diretrizes de energia, visando, dentre 
outros, o aproveitamento natural dos recursos energéticos do país, a revisão 
periódica da matriz energética e a definição de diretrizes para programas específicos
 CMSE (Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico)
 Constituído no âmbito do MME (Ministério de Minas e Energia) e sob sua 
coordenação direta, com a função de acompanhar e avaliar permanentemente a 
continuidade e a segurança do suprimento eletro energético em todo o território
 EPE (Empresa de Pesquisa Energética)
 Empresa pública federal vinculada ao MME tem por finalidade prestar serviços na 
área de estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor 
energético
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Características do setor elétrico brasileiro
Fonte: http://www.dee.ufc.br
 O parque gerador nacional é constituído, predominantemente, de centrais hidrelétricas 
de grande e médio porte, instaladas em diversas localidades 
 A concentração de demanda industrial distante das centrais geradoras são determinantes 
para a implantação de um sistema de transmissão de longa distância
 Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados
 Com o objetivo de ampliar aconfiabilidade e otimizar os recursos energéticos foi criado o 
sistema interligado nacional (SIN), o qual é responsável por mais de 95% do fornecimento 
nacional
 A operação do SIN é coordenada e controlada pelo Operador Nacional do Sistema 
Elétrico (ONS)
 Os grandes troncos (linhas de 500 kV e 750 kV) possibilitam o abastecimento de grandes 
centros industriais, distantes da geração
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Características do setor elétrico brasileiro
Fonte: http://www.dee.ufc.br
A Eletrobrás é uma empresa de capital aberto, controlada pelo governo 
brasileiro. A companhia lidera um sistema composto de subsidiárias que 
atuam nas áreas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, 
uma empresa de participações (Eletrobrás Eletropar), um centro de 
pesquisas (Eletrobrás Cepel) e metade do capital de Itaipu Binacional.
Fonte: http://www.dee.ufc.br
Sistema de Transmissão (ONS)
horizonte/2015
Integração Eletroenergética (ONS)
set/2014 – horizonte/2015
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Oferta Interna de Energia Elétrica
Fonte: http://www.mme.gov.br 
energia necessária para mover a economia
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Capacidade Instalada de Geração Elétrica
Fonte: http://www.mme.gov.br 
Centrais Geradoras 
Hidrelétricas (até 1 MW)
Pequenas Centrais 
Hidrelétricas (de 1 a 30 MW)
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Capacidade Instalada - Evolução
Fonte: http://www.mme.gov.br 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Oferta de Potência de Geração Elétrica
Fonte: http://www.mme.gov.br 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Fonte: http://www.mme.gov.br 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Fluxo Energético – ano base 2010
Fonte: http://www.epe.gov.br/
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Estrutura da Malha de Transmissão
Fonte: http://www.mme.gov.br 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Padrões Brasileiros
Fonte:
• Transmissão e subtransmissão em CA: 
750 kV, 500 kV, 230 kV (rede básica), 138 kV, 69 kV, 34,5 kV e 13,8 kV
• Distribuição primária de CA em redes públicas:
34,5 kV ou 13,8 kV
• Distribuição secundária de corrente alternada em redes públicas:
380 V/ 220 V, 220 V/ 127 V, em redes trifásicas a quatro fios, três fases e um neutro, e 
230 V/ 115 V, em redes monofásicas a três fios.
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Estrutura geral de sistemas de potência
Fonte: Power System Stability and Control, Prabha Kundur
• Sistemas trifásicos CA 
operando essencialmente 
com tensão “constante” 
(com trechos em CC)
• Equipamentos de G&T: 
trifásicos
• Cargas: industriais (3φ), 
residenciais e comerciais 
(1φ distribuídas de forma 
adequada na rede 3φ)
• Uso de máquinas síncronas 
na geração
• Longas distâncias entre as 
fontes primárias de energia 
e os pontos de consumo 
• Necessidade de diferentes 
níveis de tensão:
– Transmissão
– Subtransmissão
– Distribuição 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Controle de sistemas de potência
• O SEP deve ser capaz de 
atender a contínuas 
alterações na carga (P e Q)
• Energia elétrica não pode 
ser armazenada (em níveis 
adequados)
– Necessidade de reservas 
girantes adequadas de P e 
Q
• O SEP deve suprir energia 
com custo mínimo e menor 
impacto ambiental
• A qualidade de energia 
deve atender a critérios 
mínimos:
– Frequência constante
– Tensão constante
– Nível de confiabilidade
Fonte: Power System Stability and Control, Prabha Kundur
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Estados de operação de sistemas de potência
Fonte: Power System Stability and
Control, Prabha Kundur
 Apagão (blackout) x Racionamento
 Escassez de energia x Instabilidades
 No Brasil:
 Racionamento de energia: 2001
 Blackouts: 1984, 1985, 1999, 2005, 
2007, 2009
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Hierarquias de controle de sistemas de potência
Fonte: Power System Stability and
Control, Prabha Kundur
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Tipos de simulações em sistemas de potência
• Regime permanente
– Fluxo de potência
– Análise de estabilidade de tensão
• (Curvas P-V, V-Q, ...)
– Cálculo de faltas (V e I)
– Análise de confiabilidade
– Estimação de estados
• Dinâmicas de longo termo
• Estabilidade
– Transitória
• Impacto de faltas e distúrbios no sistema de potência
• Grandes excursões de tensão e de frequência
– Dinâmica
• Análise linearizado do SEP em torno de um ponto de operação
• Determinação de posicionamento de controladores e ajuste de seus parâmetros
• Transitórios eletromagnéticos
– Faltas, eventos de chaveamentos, proteção
Fonte: VTT (Sanna Usky & Bettina Lemström) 
Unidade I - Introdução a Sistemas de Energia Elétrica
Fenômenos e ferramentas de análise
Fonte: G. Andersson