ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN CLIMATIC RAIN EVENTS OCCURRING IN THE STATE OF PERNAMBUCO RELATED TO THE QUALITY AND CONTINUITY OF ELECTRICITY SUPPLY
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.11146127
Aécio Flávio Bezerra Galindo
RESUMO: Este estudo teve como objetivo relacionar as ocorrências de chuvas em algumas microrregiões do estado de Pernambuco com a qualidade e continuidade da energia elétrica recebida por um grupo específico de unidades consumidoras. Foram coletados históricos de acumulados de chuvas em um período de um ano e oito meses e posteriormente feita uma classificação levando em consideração o acumulado de chuvas, no período de 24 horas, registrados por cada Plataforma de Coleta de Dados (PCD’s). Também foram analisados dados após um tratamento inicial, contidos em um banco de dados de uma empresa cliente da fornecedora de energia, onde informações como tipo do problema e duração da interrupção da energia estavam registrados. O aumento de casos de falta de energia total superior a três minutos de interrupção e fata de fase superior a três minutos são predominantes para os dias que registraram chuvas moderadas e fortes. Levando em consideração todos os registros do banco de dados e que os registros são de unidades consumidoras diferente, demostrou-se que a duração média da interrupção é maior para os casos em que foi percebida a falta de fase.
Palavras-chave: qualidade da energia, precipitação pluviométrica, distribuição de energia.
Abstract: This study aimed to relate the occurrences of rain in some micro-regions of the state of Pernambuco with the quality and continuity of electrical energy received by a specific group of consumer units. Rainfall records were collected over a period of one year and eight months and a classification was subsequently made taking into account the rainfall accumulated over a 24-hour period, recorded by each Data Collection Platform (PCD’s). Data were also analyzed, after initial treatment, contained in a database from a company that is a client of the energy supplier, where information such as the type of problem and duration of the power interruption were recorded. The increase in cases of total power outages of more than three minutes of interruption and phase failures of more than three minutes of interruption are predominant for days that record moderate and heavy rains. Taking into account all the records in the database and that the records are from different consumer units, it was shown that the average duration of the interruption is longer for cases in which a lack of phase was noticed.
Keywords: energy quality, rainfall, energy distribution.
1. INTRODUÇÃO
O planeta Terra vem sofrendo cada vez mais com a ocorrência de eventos meteorológicos extremos. As altas temperaturas somadas a grandes volumes de precipitação de chuvas são exemplos de ocorrências que estão fugindo dos padrões históricos registrados pelos cientistas ao longo de décadas.
A poluição lançada na atmosfera no último século, que provoca a retenção do calor, está apontada como um dos fatores contribuintes para a mudança climática do planeta.
Os impactos causados pela mudança no clima afetam toda a sociedade, podendo trazer problemas econômicos, sociais e de saúde. Em diversas regiões ou países, os impactos nas infraestruturas públicas são significativos, resultando em desafios para a mobilidade, abastecimento de água e energia elétrica, assim como para as telecomunicações e o acesso aos serviços de saúde.
Conforme destacado no relatório da Organização Meteorológica Mundial (OMM), o impacto decorrente de meio século de eventos climáticos extremos, exacerbados pelo aquecimento global de origem antropogênica, é alarmante, resultando em mais de dois milhões de fatalidades e perdas econômicas estimadas em 4,3 bilhões de dólares.
Fica claro (IPCC 2001), portanto, que eventos extremos como secas, enchentes, ondas de calor e de frio, assim como furacões e tempestades têm afetado diferentes partes do planeta e produzido enormes perdas econômicas e de vidas.
Por outro lado, cresce o esforço dos cientistas na concepção de modelos computacionais capazes de prever, a médio e longo prazo, as variações climáticas, visando emitir alertas que proporcionem à população o tempo necessário para se preparar e enfrentar eventuais desastres.
Os impactos imediatos dos eventos meteorológicos extremos já são conhecidos por todos, porém, existem também os impactos a médio e longo prazo que precisam de mais estudos (LLASAT e cols, 2009).
No final de maio de 2022, o estado de Pernambuco enfrentou um evento climático extremo desencadeado pelos distúrbios das ondas de leste. Além da trágica perda de 130 vidas, as chuvas resultaram em sérios danos aos sistemas de infraestrutura estaduais. Destacam-se entre os setores mais prejudicados os de transmissão e distribuição elétrica, cujas falhas deixaram milhares de consumidores sem energia por dias consecutivos.
As consequências da interrupção do fornecimento de energia têm impactos diferentes dependendo do tipo do consumidor final do serviço. Para grandes consumidores, como empresas conectadas à rede trifásica, como uma fábrica de produção de alimentos em grande escala, a recuperação após a interrupção do fornecimento de energia pode ser um processo moroso, potencialmente atrasando a linha de produção. Em empresas de distribuição de água que dependem de conjuntos motobomba para transportar grandes volumes de água, uma falha no fornecimento de energia pode acarretar efeitos indesejados, como o esvaziamento das redes de água após a formação de bolsões de ar.
Segundo o relatório de desempenho das distribuidoras na continuidade do fornecimento de energia elétrica em 2022 divulgado pela ANEEL (ANEEL, 2023), conforme apontam os indicadores DEC e FEC, o período médio de interrupções ficou em 10:56h e a quantidade médias de interrupções foi de 5,37 vezes, no qual em média 7% das ocorrências são atribuídas a fatores climatológicos.
Em determinadas épocas do ano e diante de certos níveis de precipitação pluviométrica, ocorre uma perturbação na rede de transmissão e distribuição, resultando na suspensão do fornecimento de energia elétrica aos consumidores finais conectados aos sistemas elétricos por meio das concessionárias de energia elétrica.
Tomando como base para o estudo, utilizaremos dados e informações sobre interrupções no fornecimento de energia elétrica registrados pelo cliente final, a Companhia de Tratamento e Distribuição de Água, que possui unidades em todos os municípios do interior do estado e é uma cliente da concessionária de energia elétrica.
Os dados e informações obtidos serão tratados para a possibilidade de traçar uma relação dos fatos com a precipitação das chuvas na região.
Ao final do trabalho, busca-se obter dados que auxiliem o corpo técnico das empresas e demais interessados neste tipo de problema a tomarem decisões visando a mitigação posterior do problema de interrupção do fornecimento de energia elétrica relacionado a eventos climáticos.
2. METODOLOGIA
2.1. Delimitação e caracterização da área de estudo
O estado de Pernambuco está situado na região Nordeste do Brasil, sendo banhado pelo oceano Atlântico em sua costa leste, e possui uma área territorial de 98.067,880 km² (IBGE, 2020). De acordo com a divisão geopolítica apresentada pelo IBGE, além dos 185 municípios, o estado é composto por dezoito microrregiões, a saber: Alto Capibaribe, Araripina, Brejo Pernambucano, Fernando de Noronha, Garanhuns, Itamaracá, Itaparica, Mata Meridional Pernambucana, Mata Setentrional Pernambucana, Médio Capibaribe, Pajeú, Petrolina, Recife, Salgueiro, Sertão do Moxotó, Suape, Vale do Ipanema e Vitória de Santo Antão.
Pernambuco possui um sistema climático complexo, caracterizado por secas prolongadas e períodos de chuvas intensas. Dependendo da região do estado, as chuvas podem se concentrar mais durante a quadra chuvosa conhecida localmente como “verão”, que ocorre nos meses de dezembro, janeiro, fevereiro e março. Em outras regiões, as chuvas se concentram na quadra chuvosa denominada “inverno”, que ocorre nos meses de maio, junho, julho e agosto.
Ademais, o aquecimento do oceano pacífico também influencia diretamente as chuvas na região com os fenômenos El Niño e La Niña. Quando o aquecimento é no pacífico equatorial o fenômeno é chamado de El Niño. O La Niña consiste na diminuição da temperatura da superfície das águas do Oceano Pacífico Tropical Central e Oriental (INMET, 2024). Podemos ainda ter períodos de neutralidade que são caracterizados pela ausência do El Niño e La Niña.
As previsões meteorológicas para a região Nordeste apresentam um desafio considerável, especialmente quando se trata de antecipar e lidar com períodos prolongados de seca ou escassez de chuvas durante o verão.
O Nordeste possui uma extraordinária variedade climática, sobretudo em termos de pluviosidade, sendo esta uma característica única em relação a outras regiões brasileiras (Nimer, 1989). Nesse contexto, os principais sistemas meteorológicos que influenciam a região nordeste são a ZCIT (Zona de Convergência Intertropical) (Nimer, 1989), os VCAN (Vórtices Ciclônicos de Altos Níveis), as frentes frias, a Alta da Bolívia e o Cavado do Nordeste.
2.2. Coleta dos dados pluviométricos
Os dados históricos de pluviometria foram adquiridos por meio do site oficial da Agência Pernambucana de Águas e Clima (APAC). A referida agência disponibiliza em seu site um banco de dados proveniente das Plataformas de Coleta de Dados (PCDs)
A base de dados traz a pluviometria acumulada em 24 horas para cada ponto PCD. A rede de PCD’s contempla todos os municípios do estado de Pernambuco, podendo o município ter um ou vários PCD’s instalados.
Para baixar os dados disponíveis no site da APAC é necessário delimitar um intervalo de datas para poder inicializar o download.
2.3. Coleta dos dados de ocorrências com relatos de perturbações na rede de energia
Uma grande empresa, de perfil industrial, com filiais em todos os municípios pernambucanos disponibilizou um dataset com os registros feitos pelos seus centros de controle da produção, no qual os eventos ocorridos na recepção de energia são registrados. Os dados cedidos são tabulados e contêm os campos: data da ocorrência, município, tempo de duração do problema, tipo do problema e se no momento do problema chovia de forma a provocar alguma perturbação na rede de distribuição da concessionária de energia.
O campo do dataset nomeado como tipo da ocorrência traz como sinalizador dos sintomas percebidos pelas filiais e clientes da concessionária de energia, momento que ocorreu algum problema na oferta de energia, as opções: Falta de energia total (maior a 3 minutos), Oscilação de tensão (piscada), Falta de fase e Desbalanceamento/nível de tensão.
Pelas colunas que compõem o conjunto de dados ainda é possível separa os dados em três categorias:
Tabela 1: Sinalização da perturbação com ocorrência de chuvas
2.4. Classificação dos acumulados
Na busca por limiares para os acumulados de chuvas que atendessem todas as regiões dos estados de Pernambuco, e sabendo que seria necessário um aprofundamento das análises dos volumes de precipitações, levando em consideração vários conceitos científicos – o que não é o foco deste estudo -, optou-se por uma classificação única e genérica.
O Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) utiliza para a classificação de risco os acumulados de chuvas em mm/h ou mm/dia conforme a tabela 2.
Tabela 2: Classificação de risco os acumulados de chuvas segundo o INMET
Para nossas análises, utilizaremos a classificação conforme a Tabela 3, uma vez que o conjunto de dados históricos de pluviometria extraído do site da Agência Pernambucana de Águas e Clima (APAC) apresenta os acumulados das últimas 24 horas para cada plataforma de coleta de dados (PCD).
2.5. Análise dos dados com o Software KNIME
O programa KNIME Analytics Platform desempenhou um papel fundamental na aplicação das técnicas de normalização, padronização e classificação dos dados. Sua utilização possibilitou o manejo eficiente dos dados, sobretudo em relação à extensa tabela de dados pluviométricos. Além disso, o software foi empregado para a intersecção dos dados provenientes de diferentes tabelas, viabilizando sua correlação.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Resolução Normativa número 956, de 7 de dezembro de 2021, da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, que trata dos procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional (PRODIST), em seu módulo 8, estabelece os procedimentos relativos à qualidade do fornecimento de energia elétrica na distribuição, no que se refere à qualidade do produto, à qualidade do serviço e à qualidade comercial. Define os fenômenos relacionados à qualidade do produto e os fenômenos relacionados à qualidade do serviço, aqui entendidos como aqueles relativos à continuidade do fornecimento de energia elétrica. Também estabelece os procedimentos relacionados à apuração da qualidade comercial, entre outros.
A priori, faz-se necessário a adoção de uma metodologia descrita para a medição apropriada, já que a tensão em regime permanente se apropria de indicadores individuais e coletivos para a avaliação das leituras obtidas. Nesse contexto, verifica-se os pontos de conexão entre distribuidoras e unidades consumidoras e entre as próprias distribuidoras.
Com isso, os valores de eletricidade que as empresas medem devem ser comparados com um valor de referência. Esse valor pode ser o padrão ou o que foi estabelecido com o cliente, dependendo do tipo de conexão que o cliente final tenha.
Dependendo do quão longe o valor da leitura está em relação ao valor de referência, as leituras associadas são divididas em três categorias: adequadas, precárias ou críticas.
Assim, visando a garantia na compatibilidade com os requisitos de tensão dos equipamentos elétricos utilizados no final da linha, os valores padrão de tensão deve ser escolhidos considerando o planejamento do sistema de distribuição.
A classificação das tensões de atendimento deve ser feita com base nos intervalos de variação da tensão de leitura. A partir disso, vale destacar os indicadores individuais de tensão em regime permanente, à medida que proporcionam uma visão abrangente das condições operacionais, facilita a identificação de eventuais problemas e a implementação de medidas para garantir que a tensão permaneça dentro dos parâmetros adequados para o funcionamento seguro e eficiente dos equipamentos elétricos dos consumidores.
Adicionalmente, para os clientes que possuem um sistema de medição de tensão contínuo, um conjunto de 1.008 leituras válidas é utilizado para calcular dois indicadores importantes, o DRP (Desempenho de Regularidade de Tensão) e o DRC (Desempenho de Regularidade de Tensão por Conjunto). A média dos valores obtidos é utilizada para determinar os valores mensais de DRP e DRC.
Afere-se que a avaliação da qualidade do serviço de distribuição de energia elétrica envolve o controle de interrupções e a análise dos indicadores de continuidade, que permitem a avaliação do desempenho do sistema elétrico.
Os indicadores de continuidade são estabelecidos com base na duração e frequência das interrupções no fornecimento de energia.
A maioria dos indicadores é apurada mensalmente, exceto o indicador DICRI, que é calculado com base em interrupções que ocorrem em dias críticos específicos.
Cada unidade consumidora, central geradora ou ponto de conexão deve ter seus próprios indicadores de continuidade avaliados individualmente, o que destaca a importância de uma análise detalhada do desempenho de cada componente do sistema elétrico para garantir a qualidade do serviço prestado.
Dessa maneira, os indicadores de continuidade individuais devem ser calculados pelas seguintes fórmulas: No qual: DIC = duração de interrupção individual por unidade consumidora ou por ponto de conexão; FIC = frequência de interrupção individual por unidade consumidora; DMIC = duração máxima de interrupção contínua por unidade consumidora ou por ponto de conexão; DICRI = duração da interrupção individual ocorrida em dia crítico por unidade consumidora ou ponto de conexão.
Durante este estudo, não iremos fazer uma relação com os indicadores preceituados pelo módulo 8 do PRODIST, porém ele nos ajuda servindo de alicerce de alguns dos conceitos aplicados da classificação dos dados.
Para realização deste estudo, os dados utilizados são de um conjunto de registros, pertencente ao cliente, onde os registros são associados ao fato de possíveis relação ou não com eventos climatológicos de chuva, ajudando assim na classificação dos dados, conforme Figura 1, sendo os registros sem relação com chuva (SC) e os registros com relação com chuva (CC).
Figura 1: Percentual de registros realizados no período de 01/01/2022 até 31/08/2023 referente a perturbações elétricas, no ponto de entrega ao cliente, com sinalização de relação ou sem relação com chuvas no momento do registro.
Em um segundo momento, os dados foram classificados por município e por microrregião. Ou seja, para cada registro do banco de dados, foi atribuída uma microrregião com base no município cadastrado durante a ocorrência do fato, conforme ilustra a Figura 2.
Os registros do banco de dados contemplam apenas as microrregiões do interior do estado, excluindo, portanto, as microrregiões pertencentes à região metropolitana no estado de Pernambuco.
Figura 2: Quantidade de registros realizados no período de 01/01/2022 até 31/08/2023 referente a perturbações elétricas, no ponto de entrega ao cliente final, com sinalização de relação ou sem relação com chuvas no momento do registro.
Nos primeiros passos da pesquisa, evidenciou-se que em dias mais chuvosos houve um aumento nas sinalizações de perturbações na entrega de energia elétrica pela concessionária. Em algumas microrregiões, como a Mata Meridional, Mata Setentrional e Vale do Ipojuca, o aumento de registros de casos ultrapassou 100%.
Já nas regiões que historicamente possuem um baixo acumulado anual de chuvas, as perturbações no sistema de transmissão e distribuição apresentaram uma média de ocorrências entre 18% e 30% maior. Entre as regiões que mostraram uma menor variação entre os casos com e sem relação com as chuvas, destacam-se: Itaparica, Salgueiro e Vale do Ipanema.
Ao classificar os dados como registros sem relação com chuva (SC) e registros com relação com chuva (CC) e depois separar pela subcategoria tipo da ocorrência (TO), foi observado que, para os registros identificados como sem relação com chuvas (SC), houve uma predominância de relatos de Falta de energia total (superior a 3 minutos) e oscilação de tensão (piscada), conforme ilustrado nas Figuras 3 e 4.
Figura 3: Percentual de registros apontados como sem relação com chuva e classificação por tipo da ocorrência.
Figura 4: Percentual de registros apontados como com relação com chuva e classificação por tipo da ocorrência.
Observou-se, ademais, que em dias chuvosos houve um acréscimo no número de casos de registros apontados como falta de energia total (superior a 3 minutos), uma tendência de estabilidade entre oscilações de tensão e falta de fase, além de uma diminuição nos casos de desbalanceamento/nível de tensão.
Após a definição dos limiares para os acumulados de chuvas, classificando-os como pouca chuva ou sem chuva, chuva fraca, chuva moderada e chuva forte, a observação foi direcionada para identificar qual tipo de ocorrência prevalecia em cada grupo de acumulado.
Ao separar os grupos de acordo com a classificação dos acumulados de chuva, observamos que nos dias com pouca chuva ou sem chuva, e nos dias de chuvas fracas, há uma tendência à igualdade nos casos de falta de energia total e oscilações de tensão. Já nos dias de chuva fraca, há um aumento nos casos de registros de falta de fase, conforme exemplificado na Figura 5.
Nos dias de chuvas moderadas, que acumulam valores entre 50 e 100 mm/dia, notou-se um aumento significativo na incidência de registros de falta de energia total (superior a 3 minutos) em comparação com os demais grupos. Já para os dias de chuvas fortes, onde os acumulados de chuva podem superar 100 mm em 24 horas, a maior quantidade de casos foi relacionada à falta de fase (superior a 3 minutos).
Figura 5: Percentual de registros pouca chuva ou sem chuva
Ao separar e analisar os dados referentes à falta de fase (superior a 3 minutos) e à falta de energia total (superior a 3 minutos), obtemos para cada registro do banco de dados a duração da interrupção por cada unidade consumidora. Com base nisso, podemos calcular o valor médio levando em consideração todos os registros para esses dois tipos de ocorrência.
Conforme exemplifica a Figura 6, o tempo médio da duração da interrupção para Falta de fase (maior que 3 minutos) ficou em 981 minutos, ou seja, 16 horas e 21 minutos.
Figura 6: Duração da interrupção individual por unidade – Falta de fase (maior que 3 minutos)
Para o tipo de ocorrência relacionada à falta de energia total (superior a 3 minutos), evidenciamos um tempo médio de interrupção para o grupo de ocorrências associadas à chuva de 570 minutos, o que equivale a 9 horas e 30 minutos, conforme ilustra a Figura 7.
Figura 7: Duração da interrupção individual por unidade – Falta de energia total (maior que 3 minutos)
Alguns dos motivos que podem justificar o tempo médio maior para os casos de falta de fase (superior a 3 minutos) são as ocorrências de condutores partidos ou chaves fusíveis abertas, eventos bastante comuns em situações de eventos climáticos.
4. CONCLUSÃO
No levantamento e análise realizados, evidenciou-se que há um comportamento diferenciado nas ocorrências, levando em consideração cada microrregião do estado de Pernambuco. Nas regiões onde historicamente há maior incidência de chuvas, observa-se um aumento no número de casos de perturbações na rede de transmissão e distribuição, além de uma redução na continuidade do fornecimento de energia elétrica.
Para os cenários apresentados de sem chuva, pouca chuva ou chuva fraca, observa-se um equilíbrio entre os tipos de ocorrência registrados, sugerindo padrões que indicam a naturalidade das ocorrências do sistema em questão.
Nos cenários de chuvas moderadas e chuvas fortes, observou-se uma significativa alteração no comportamento das perturbações na rede elétrica, resultando em ocorrências de falta de fase e falta de energia total superior a três minutos.
A partir da análise do tempo de interrupção, levando em consideração todos os registros do banco de dados e que os registros são de unidades consumidoras diferentes, conclui-se que o tempo médio da duração da interrupção é maior para os casos em que foi percebida a falta de fase.
Esta pesquisa considerou apenas uma variável climática, a precipitação. No entanto, é importante ressaltar que outras variáveis da climatologia, como o vento, também são muito relevantes, uma vez que podem causar perturbações significativas no sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica.
A pesquisa apresentada fornece uma abordagem inicial para o tema em questão, porém abre espaço para pesquisas mais abrangentes. Por exemplo, seria interessante estudar o comportamento de cada microrregião, levando em consideração não apenas a variável precipitação, mas também o vento. Isso poderia fornecer uma compreensão mais completa dos padrões de perturbação no sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica em diferentes contextos climáticos..
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