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1. Príncipio de Funcionamento e Evolução Tecnológica dos Reguladores de Tensão por Degraus

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

1.1 Mecanismo de Regulação Passo a Passo

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

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

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

2. Soluções de Integração de Sistemas de Subestação

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

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

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

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

2.3 Configuração de Equipamentos

3. Estratégias de Controle Avançadas

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

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

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

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

3.3 Otimização Multiobjetivo
Para cenários de integração de energia distribuída:

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

4. Sistemas de Comunicação e Automação de Suporte

4.1 Arquitetura de Comunicação IEC 61850

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

4.2 Integração do Sistema SCADA

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

4.3 Protocolos de Comunicação Chave

5. Otimização e Validação de Desempenho

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

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

5.2 Quantificação de Desempenho

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

5.3 Comparação de Técnicas de Otimização