Introdução ao uso de OpenDSS

Este artigo irá abordar alguns aspectos básicos de openDSS para quem está começando a utilizar essa poderosa ferramenta. Por tratar-se de uma ferramenta com possibilidade de utilização em muitos tipos de cenários distintos e com muitos recursos disponibilizados, só aqueles mais básicos serão abordados neste artigo. Para um aprofundamento sobre cada um dos conceitos mencionados neste documento, recomenda-se a consulta à documentação oficial do OpenDSS.

o que é o openDSS

O OpenDSS é no mínimo um software diferente. É diferente porque tem uma abordagem completamente diferente daquela utilizada por ferramentas que costumamos utilizar na análise de sistemas elétricos de potência.

A primeira diferença notável é que o OpenDSS não tem uma abordagem de interface gráfica do tipo arrastar e soltar componentes em um plano de trabalho. Essa é a diferença que mais se destaca no início da utilização da ferramenta.

Na verdade só é possível entender o motivo de certas características do OpenDSS quando entendemos como funciona sua arquitetura interna. É preciso entender que quando falamos em OpenDSS na verdade podemos estar nos referindo a um dos componentes que fazem parte de sua arquitetura, a apenas alguns deles, ou até mesmo a todos eles de uma vez só. Geralmente quando falamos OpenDSS queremos nos referir à integração de cada um dos componentes do OpenDSS que juntos conseguem nos entregar uma poderosa ferramenta de análise de sistemas elétricos de distribuição.

Mas a verdade é que o OpenDSS é composto de uma junção de partes que estão integradas e que geram saídas integradas às entradas de outras partes. A figura abaixo expressa bem essa ideia.

Dessa forma, o OpenDSS pode ser pensado como tendo um componente básico que é seu motor de cálculos, escrito atualmente em C++ (e que por muito tempo foi escrito em Delphi), identificado na figura como Main Simulation Engine.

Esse motor de cálculo pode então ser acionado de diferentes formas. A forma mais fácil e direta de interagir com o motor de cálculo é por meio da interface gráfica disponibilizada pelo instalador padrão do OpenDSS, acessível gratuitamente no repositório source-forge.

Essa interface gráfica é bem simples e apresenta basicamente uma tela em branco em que o usuário pode digitar algum script. É aí, nesse primeiro contato, que fica claro para o usuário uma característica essencial do OpenDSS, que é a caracterização do modelo elétrico por meio de sua linguagem de scripts.

Pode parecer estranho no primeiro momento abrir mão de um ambiente 100% gráfico para compor o modelo elétrico, mas quando se analisa redes elétricas de distribuição reais, em que é comum haver circuitos com milhares de barras, e milhares de trechos de linhas, então fica claro como é inapropriado o paradigma de arrastar e soltar para a composição de modelos elétricos de circuitos de distribuição reais.

Existem outras formas de controlar o motor de cálculo do OpenDSS. A mais poderosa delas, certamente é por meio de uma linguagem de programação, como por exemplo Python, o que dá muito mais versatilidade e flexibilidade nas análises. Mas por enquanto vamos focar na linguagem de scripts do OpenDSS.

Scripts OpenDSS

A linguagem de scripts do OpenDSS é muito importante para um bom domínio da modelagem de sistemas de distribuição utilizando o OpenDSS. Iremos comentar aqui somente sobre os pontos mais importantes, mas eu aconselho que você aprofunde sobre esse tópico lendo a documentação oficial do OpenDSS sobre o assunto.

Para iniciar, é importante saber que o OpenDSS divide os componentes da rede elétrica em dois tipos principais:

• Power Delivery Elements.
• Power Conversion Elements.

Os elementos do tipo power delivery são aqueles que geralmente se encontram em série com o sistema e não possuem dispositivos para conversão da energia elétrica em outro tipo de energia. Os tipos mais comuns de elementos power delivery são as linhas de transmissão e os transformadores de potência. Já os elementos do tipo power conversion, na maioria dos casos se encontram em paralelo com o sistema e apresentam mecanismo de conversão da energia elétrica em outros tipos de energia, este é o típico caso de cargas elétricas presentes no sistema.

Exemplos de elementos do tipo Power Delivery são:

• Line
• Transformer
• Capacitor
• Reactor

Exemplos de elementos do tipo Power Conversion são:

• Load
• Generator
• Vsource
• Isource
• Storage

Além desses elementos, que são elementos físicos, o OpenDSS possue outros elementos não físicos que não se encaixam nessa categorias, podemos listar alguns deles.

Elementos do tipo Controls:

• RegControl.
• CapControl.
• Relay.
• Reclose.
• Fuse.

Elementos do tipo Meters:

• Monitor.
• EnergyMeter.
• Sensor.

Elementos do tipo General:

• LineCode
• LineGeometry
• WireData
• LoadShape
• TCCcurve
• XfmrCode

Listados os principais elementos presentes no OpenDSS, agora podemos ver como declará-los em um script utilizando a sintaxe própria do OpenDSS.

De acordo com a documentação oficial, as declarações na linguagem do OpenDSS sempre irão seguir a seguinte combinação:

command param1, param2, param3, ...

Alguns exemplos de comandos comuns são:

• New: Create a new circuit element.
• Edit: Edit a specified circuit element.
• Set: Define solution options, like the mode.
• Solve: Perform a solution of the current circuit
• Show: Display power flow results in text format.
• Export: Export power flow results to a text/csv file.
• Plot: Plot power flow results.

O primeiro elemento a ser demonstrado como exemplo aqui será o elemento Circuit, que é obrigatório em qualquer circuito declarado em OpenDSS:

New circuit.IEEE13Nodeckt
~ basekv=115 pu=1.0001 phases=3 bus1=SourceBus
~ Angle=30
~ MVAsc3=20000 MVASC1=21000

Esse bloco de comandos realiza a declaração de um elemento circuit que fornece alimentação elétrica para a rede a ser simulada. Dentro do bloco de declaração desse elemento é importante destacar alguns comandos. O bloco é iniciado pelo comando New e em seguida uma série de parâmetros seguidos de seus valores. O tipo e o nome do novo elemento declarados, nesse caso são circuit.IEEE13Nodeckt e estão separados por um ., já o operador ~ indica que a lista de parâmetros do comando anterior irá se estender por mais uma linha.

É importante mencionar aqui que a linguagem de scripts do OpenDSS não é case sensitive.

Cada um dos elementos do OpenDSS são declarados seguindo essa mesma lógica. Por exemplo, observarmos o código de declaração do transformador do sistema teste IEEE 13 barras, teremos:

New Transformer.Sub Phases=3 Windings=2   XHL=(8 1000 /)
~ wdg=1 bus=SourceBus conn=delta kv=115 kva=5000 %r=(.5 1000 /) XHT=4
~ wdg=2 bus=650 conn=wye kv=4.16 kva=5000 %r=(.5 1000 /) XLT=4

Aqui é importante mencionar que o OpenDSS tem uma certa filosofia de não ter um modo único de realizar determinadas ações. Por exemplo, o elemento transformer, pode ser declarado de qualquer um dos modos abaixo:

New transformer.reg1a phases=3 windings=2 buses=[150 150r] conns=[wye wye]
~ kvs=[4.16 4.16] kvas=[5000 5000] XHL=.001 %LoadLoss=0.00001 ppm=0.0

New Transformer.XFM1 Phases=3 Windings=2 Xhl=2.72
~ wdg=1 bus=61s conn=Delta kv=4.16 kva=150 %r=0.635
~ wdg=2 bus=610 conn=Delta kv=0.48 kva=150 %r=0.635

Depois de entender como declarar os elementos que compõem um circuito elétrico no OpenDSS, é natural que se faça a pergunta:

como os elementos OpenDSS são conectados uns com os outros?

Conectando elementos no OpenDSS

Esse tópico é importante porque as conexões estabelecidas pelo OpenDSS não são conexões simples do tipo conectado ou não conectado, mas sim conexões que precisam definir se a conexão pretendida será do tipo monofásica, bifásica ou trifásica. Além disso, é preciso estabelecer ligações de um condutor neutro, caso exista e também de aterramento desse condutor, e dos elementos elétricos que estão sendo conectados, assim como saber a sequência correta de conexão desses condutores. Para cumprir esses requisitos o OpenDSS utiliza as seguintes definições terminológicas:

• Nó: É uma posição de conexão elétrica fixa em um barramento.
• Barramento: É uma coleção de nós.
• Condutor: Representa um ponto de conexão elétrica em um elemento, com potencial elétrico bem definido.
• Terminal: É uma coleção de condutores.

Utilizando essas definições é possível representar qualquer tipo de conexão elétrica entre elementos polifásicos, considerando todas as características de geometria importantes para a realização dos estudos elétricos pelo motor de cálculo do OpenDSS.

De acordo com a documentação oficial do OpenDSS o usuário pode definir como os condutores estão conectados aos nós do barramento de três formas distintas:

• A primeira forma de conexão entre elementos é também a mais simples. Nessa forma o terminal do elemento simplesmente é conectado à uma barra ou barramento, sem nenhuma indicação explícita de qual condutor estará conectado a qual nó do barramento. Quando isso é feito o OpenDSS realiza a ligação dos condutores fase em sequência com os nós do barramento e então conecta o condutor neutro no nó zero da barra em questão, que no OpenDSS, por padrão tem potencial de terra.
• Na segunda possibilidade de ligação, é indicada a conexão do primeiro condutor fase a um determinado nó j da barra em questão. Dessa forma, os demais condutores fase são conectados aos outros nós seguindo a sequencia de fase positiva, enquanto o condutor neutro será conectado no nó zero da barra, sendo forçado para o potencial de neutro.
• Por fim, na terceira possibilidade, um mapeamento explícito é realizado entre os condutores de fase e de neutro e os nós do barramento.

Para entender melhor esse processo os modelos abaixo podem servir de auxilio:

nome_da_barra.i.j.k em que i, j, k se referem aos nós do barramento

Esse comando é interpretado da seguinte forma: primeiro condutor fase do elemento é conectado ao nó i, segundo condutor fase/neutro do elemento é conectado ao nó j, terceiro condutor fase/neutro do elemento é conectado ao nó k.

Se a conexão entre condutores e nós do barramento não forem especificados explicitamente, o comportamento padrão do OpenDSS é o seguinte:

BUSNAME.1.0.0.0.0.0.0. … (Single-phase terminal)
BUSNAME.1.2.0.0.0.0.0. … (two-phase terminal)
BUSNAME.1.2.3.0.0.0.0 … (3-phase terminal)

Os exemplos abaixo para a conexão de um transformador delta-estrela serão elucidativos:

Conexão de transformador delta-estrela-aterrado:

New transformer.xfmr_name
~ phases=3 windings=2
~ Bus1=Bus_A.1.2.3
~ Bus2=Bus_B.1.2.3.0
~ conns=[delta, wye]

Conexão de transformador delta-estrela-não-aterrado:

New transformer.xfmr_name
~ phases=3 windings=2
~ Bus1=Bus_A.1.2.3
~ Bus2=Bus_B.1.2.3.4
~ conns=[delta, wye]

Conexão de transformador delta-estrela-aterrado-por-reator:

New transformer.xfmr_name
~ phases=3 windings=2
~ Bus1=Bus_A.1.2.3
~ Bus2=Bus_B.1.2.3.4
~ conns=[delta, wye]

New reactor.rg_name
~ phases=1
~ Bus1=Bus_B.4
~ Bus2=Bus_B.0
~ R=0.1 X=700.0

Principais Elementos e suas características

Agora que está claro como a conexão dos elementos é realizada no OpenDSS, ou mais especificamente, como é realizada a conexão entre os condutores dos terminais dos elementos e os nós dos barramentos, é importante conhecer um pouco das características dos principais elementos encontrados nas redes elétricas de distribuição, são eles:

• Elemento Fonte de Tensão
• Elemento Linha de Distribuição
• Elemento Transformador
• Elemento Carga

Existem ainda os elementos de controle que também são bastante importantes:

• Controle de regulador de tensão
• Controle de bancos de capacitores

Outros elementos importantes são:

• Curva de cargas
• Medidor
• Monitor
• Geração fotovoltaica

Montagem de sistema exemplo no OpenDSS

A seguir será demonstrado como cada um dos elementos citados pode ser declarado e utilizado de acordo com a linguagem de scrips do OpenDSS. Para facilitar essa abordagem será utilizado um sistema de exemplo, e cada um dos seus elementos e parâmetros será descrito.

O Sistema a ser descrito está mostrado na figura abaixo:

O primeiro elemento a ser analisado é o elemento fonte de tensão:

New Circuit.Equivalente bus1=A pu=1.02 basekv=138
~ Z0=[0.025862916, 0.077588748] Z1=[0.023094242, 0.092376969]

Essa linha de comando declara um elemento fonte de tensão com as seguintes características:

• fonte de tensão trifásica.
• tensão de base de 138kV
• nível de tensão atual de 1,02 pu.
• impedância equivalente de fonte em suas componentes de sequência positiva e zero.

Esse último parâmetros é um dos mais importantes e define como a fonte de tensão irá se comportar mediante diferentes regimes de operação.

Uma fonte de tensão trifásica em OpenDSS por padrão apresenta o seguinte modelo elétrico:

Como é possível visualizar no modelo elétrico, o OpenDSS precisa calcular as impedâncias próprias e mútuas da fonte, para isso é preciso que uma das opções de pares de parâmetros sejam informadas:

• MVAsc3 e MVAsc1 que indicam respectivamente potência de curto-circuito monofásica e potência de curto-circuito trifásica.
• Isc3 e Isc1 Correntes de curto-circuito trifásico e monofásico.
• Z1 e Z0 Impedâncias de sequência positiva e zero.

O próximo elemento mostrado no diagrama da rede exemplo é um transformador trifásico. O código abaixo declara esse transformador:

New Transformer.Trafo phases=3 windings=2 %loadloss=0.15 xhl=5
~ %noloadloss=0.015 %imag=2
~ wdg=1 bus=A kv=138 kva=3000 conn=delta
~ wdg=2 bus=B kv=13.8 kva=3000 conn=wye
~ sub=Yes subname=Subestacao

Trata-se de transformador trifásico, de dois enrolamentos, conectado em delta no primário e em estrela no secundário, com o centro estrela aterrado. A potência dos dois enrolamentos do transformador é de 3,0 MVA. As tensões estão especificadas por enrolamentos e são de 138 kV no primário e 13,8 kV no secundário. Além desse elementos são mais fáceis de serem identificados na declaração, existem ainda os parâmetros que modelam as perdas no transformador, são eles:

• %loadloss: representa a resistência do ramo série do transformador em valor percentual.
• xhl: representa a reatância do ramo série do transformador em valor percentual.
• %noloadloss: representa a resistência do ramo de magnetização, em valor percentual.
• %imag: representa a reatância indutiva do ramo de magnetização, em valor percentual.

O modelo elétrico desse elemento transformador pode ser visualizado na figura abaixo:

Na rede exemplo que está sendo executada existem dois tipos de elementos linhas de distribuição. Na figura abaixo é possível visualizar a representação elétrica de uma linha de distribuição trifásica à quatro condutores, ou seja, com condutor neutro explícito:

Logo abaixo estão representados em termos de script OpenDSS, os dois seguimentos de linha da rede exemplo:

// Modelos de Linhas
New Linecode.MeuArranjo4 nphases=4 basefreq=60 units=km
~ rmatrix = [0.249 |0.059 0.249 |0.059 0.059 0.249 |0.059 0.059 0.059 0.427] !ohm/km
~ xmatrix = [0.878 |0.529 0.878 |0.451 0.484 0.878 |0.467 0.488 0.476 0.960] !ohm/km
~ cmatrix = [9.353 |-3.028 9.858 |-1.160 -1.928 8.891 |-1.393 -1.772 -1.782 8.809] !nF/km
~ neutral=4 kron=No

New Linecode.MeuArranjo3 nphases=3 basefreq=60 units=km
~ rmatrix = [0.249 |0.059 0.249 |0.059 0.059 0.249]     !ohm/km
~ xmatrix = [0.878 |0.488 0.878 |0.488 0.488 0.878]     !ohm/km
~ cmatrix = [8.932 |-2.290 8.932 |-2.290 -2.290 8.932]  !nF/km

// Dados dos Trechos
New Line.LinhaBC bus1=B.1.2.3.0 bus2=C.1.2.3.4 length=0.8 units=km linecode=MeuArranjo4
New Line.LinhaCD bus1=C.1.2.3 bus2=D.1.2.3 length=0.6 units=km linecode=MeuArranjo3

No script é possível identificar a presença de dois elementos distintos:

• Linecode: Modelo de linha reutilizável
• Line: Trecho de linha que utiliza como modelo elétrico um elemento declarado pelo Linecode.

Além disso há uma diferença notável entre os dois modelos de linhas. No linecode MeuArranjo4 além do parâmetro nphases=4 a quantidade de elementos declarados nos parâmetros rmatrix, xmatrix e cmatrix excede em uma unidade os elementos declarados no linecode MeuArranjo3, que tem o o parâmetro nphases=3. O que essas diferenças representam?

Por fim, os últimos elementos físicos são declarados, ou seja, as cargas conectadas nas barras do sistema:

// Dados das Cargas
// Model=1 -> Potencia Constante
New Load.CargaC phases=1 bus1=C.1.4 kv=7.9674 kw=500 pf=0.92 model=1
New Load.CargaD phases=3 bus1=D conn=wye kv=13.8 kw=2000 pf=0.92 model=1

Um elemento importante, principalmente no cálculo de perdas elétricas, é o elemento EnergyMeter. A declaração do EnergyMeter pode ser vista abaixo:

// Medidor
New EnergyMeter.MedidorSub element=Transformer.Trafo terminal=1

A importância do elemento EnergyMeter ficará mais visível quando o modo de simulação Daily for apresentado. Por enquanto, é possível pensar nesse elemento como o elemento que permite o cálculo das perdas elétricas no circuito.

Por fim a declaração de elementos da rede é finalizada com alguns comandos de configuração das tensões de base, além do importante comando de Solve, que é quem executa o fluxo de carga. Comando Set mode=snapshot é desnecessário nesse caso pois esse já é o modo padrão do OpenDSS.

// Definindo Tensoes de base
Set voltagebases=[138 7.9674 13.8]
Calcvoltagebases

// SnapShot Mode
Set mode=SnapShot
Solve

Os comandos listados abaixo atribuem coordenadas para as barras do circuito, permitindo uma visualização georreferenciada do circuito em análise. Após esse comando, diversos comandos de exibição de resultados são listados, sendo possível, por meio desses comandos visualizar tensões, correntes, potências e perdas elétricas.

// Coordenadas
BusCoords Coordenadas.csv

// Arquivos de Resultados
Show Voltage LN Nodes
Show Power Elements
Show Currents Elements
Show Losses

A final, alguns resultados da simulação são exibidos em forma de gráficos utilizando o comando Plot.

// Perfil de Tensao
// Plot Profile

// Plot o Circuito
// Plot circuit Power Max=2200 dots=y labels=y subs=y C1=Blue

Transformando uma análise estática em temporal

Para adaptar o circuito OpenDSS utilizado na análise de uma condição de carga/geração fixa, algumas poucas alterações e inclusões precisarão ser realizadas. É importante mencionar aqui que nada muda nos elementos físicos em si, com exceção do elemento carga que precisa sofrer uma pequena alteração.

Para ser mais específico, uma análise de fluxo de carga temporal poderá ser realizada utilizando os seguintes elementos:

• LoadShape: Declara uma curva de carga com valores relativos à potência da carga referida.
• Set Mode=Daily: Altera o modo de simulação para uma simulação temporal de 24h.
• Monitor: Elemento que permite a visualização das grandezas elétricas após a realização da simulação temporal.

Abaixo estão listados alguns trechos de código necessários para transformar a análise de fluxo de carga estático em fluxo de carga temporal:

O primeiro trecho de código especifica os elementos LoadShape que definem as curvas de carga temporais e também associa os loadshapes a cada carga especificamente. Nesse caso os loadshapes contém 24 valores que irão multiplicar o valor de carga associado à cada elemento Load. Os Loadshapes podem ter tamanhos distintos, permitindo a representação de um fluxo de carga temporal com diferentes resoluções.

// Dados das Curvas de Carga
New Loadshape.industrial npts=24 interval=1
~ mult=(0.1 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.6 1.2 1.8 1.8 1.9 1.9 1.4 1.6 1.8 1.7 1.7
1.1 0.8 0.6 0.5 0.4 0.2 0.2)
New Loadshape.residencial npts=24 interval=1
~ mult=(0.6 0.5 0.4 0.4 0.5 0.8 1.0 0.8 0.8 0.9 1.0 1.0 1.1 0.9 0.9 0.9 1.0
1.2 1.5 1.5 1.7 1.5 1.2 0.8)

// Dados das Cargas
// Model=1 -> Potencia Constante
New Load.CargaC phases=1 bus1=C.1.4 kv=7.9674 kw=500 pf=0.92 model=1 daily=residencial
New Load.CargaD phases=3 bus1=D conn=wye kv=13.8 kw=2000 pf=0.92 model=1 daily=industrial

No trecho de código abaixo são declarados os monitores que irão registrar as grandezas elétricas especificadas durante toda a simulação temporal. São configurados quatro monitores localizados em dois locais diferentes, sendo dois monitores conectados no terminal primário do transformador, e outros dois monitores conectados no elemento CargaD. Cada monitor registra tipos diferentes de grandezas elétricas. Por exemplo, o monitor PotenciaSub registra as grandezas de potência ativa e potência reativa. Já o monitor TensaoSub registra os valores de tensão e corrente elétricas em cada uma das fases do ponto de conexão.

// Medidor
New EnergyMeter.MedidorSub element=Transformer.Trafo terminal=1

// Monitores
// Monitores na Sub (deve ser conectado em um elemento e nao em uma barra)
New Monitor.PotenciaSub element=Transformer.Trafo terminal=1 mode=1 ppolar=no
New Monitor.TensaoSub element=Transformer.Trafo terminal=1 mode=0

// Monitores na CargaD
New Monitor.PotenciaCargaD element=Load.CargaD terminal=1 mode=1 ppolar=no
New Monitor.TensaoCargaD element=Load.CargaD terminal=1 mode=0

Por fim a simulação temporal é configurada e executada. Para isso o modo de simulação Daily é selecionado, e por fim o comando Solve que irá iniciar o processo de execução do fluxo de carga temporal.

// Time-Series Mode
Set controlmode=Static
Set mode=Daily
Set stepsize=1h
Set number=24
Solve

// Resultados do Medidor
// Show meters
// Export meters

O trecho abaixo mostra os comandos necessários para a correta visualização das grandezas armazenadas pelos monitores ao longo da simulação temporal.

Nesse caso os valores armazenados pelos quatro monitores armazenados estão sendo ou salvos em um arquivo por meio do comando Export monitors ou plotados na tela por meio do comando Plot monitor object *** channels=(* * *). Para cada tipo de monitor considerado, haverá valores específicos armazenados nos canais.

// ==========================
// Resultados dos Monitores
// ==========================

// Monitor de Potencia da Sub
// Export monitors potenciasub
// Plot monitor object= potenciasub channels=(1 3 5 )

// // Monitor de Tensao da Sub
// Export monitors tensaosub
// Plot monitor object= tensaosub channels=(1 3 5 ) bases=[79674.3 79674.3 79674.3]

// // Monitor de Potencia da CargaD
// Export monitors potenciacargad
// Plot monitor object= potenciacargad channels=(1 3 5 )

// // Monitor de Tensao da CargaD
// Export monitors tensaocargad
// Plot monitor object= tensaocargad channels=(1 3 5 ) bases=[7967.4 7967.4 7967.4]

A importância dos sistemas teste do IEEE no desenvolvimento do OpenDSS

Um famoso paper escrito pelo subcomitê de análise de sistemas de distribuição da Power and Energy Society IEEE Radial Distribution Test Feeders