Methodology for developing and application of a Smart Grid emulator in a controlled environment.

O presente trabalho visa propor uma metodologia para desenvolvimento e aplicação de um inovador emulador de redes elétricas inteligentes (REIs) para testes sistêmicos de funcionalidades de Smart Grids envolvendo dispositivos inteligentes (hardware) e sistemas de tecnologia da informação (software) em ambiente laboratorial. Além de dar uma dimensão da importância dos laboratórios de redes elétricas inteligentes para a pesquisa do tema, o levantamento bibliográfico apresentado neste trabalho permite concluir que as pesquisas envolvendo hardware-in-the-loop (HIL) tendem a concentrar suas análises nos equipamentos de hardware testados, como dispositivos de medição, equipamentos de potência (inversores de frequência e outros), dispositivos de controle e seus algoritmos e não em estudos que envolvam análises mais sistêmicas e interações dos dispositivos com sistemas de TI normalmente presentes nos Centros de Operação da Distribuição (COD), os quais cumprem papéis cada vez mais importantes nas funcionalidades de Redes Inteligentes. A metodologia proposta parte da premissa de que um ambiente para testes de funcionalidades de Smart Grids deve permitir análises sistêmicas, não apenas focadas nos dispositivos de controle de uma porção particular da rede ou sistemas de automação específicos, mas devem envolver a maior porção de rede possível e necessária para a correta representação das redes elétricas inteligentes. Neste sentido, a metodologia define e caracteriza os principais módulos e etapas de desenvolvimento de um emulador de redes elétricas inteligentes, ao mesmo tempo em que propõe soluções para os desafios de integração destes módulos, aplicando conceitos de hardware-in-the-loop, software-in-the-loop (SIL), e simulação com sincronização orientada a evento, além de propor soluções com simulação de sistemas de potência em regime permanente e hardware de baixo custo que permitiram o desenvolvimento do emulador de redes em laboratório de Smart Grid. As principais características do emulador de REIs desenvolvido e implementado no laboratório de Smart Grid, conforme a metodologia proposta, também são descritas neste trabalho. Por fim, são apresentados os casos teste, mais especificamente provas de conceito, envolvendo redes de teste IEEE/PES e redes reais das concessionárias do grupo EDP, financiador do projeto de implantação do laboratório no âmbito do Programa de P&D ANEEL, os quais serviram de base para a avaliação do desempenho do emulador e discussões finais sobre as contribuições da metodologia de desenvolvimento proposta neste trabalho.This work aims to proposing a methodology for the development and application of an innovative Smart Grid emulator for systemic testing of Smart Grids functionalities involving intelligent devices and information technology systems in a laboratory environment. Besides demonstrating the importance of the Smart Grid for the subject research, the literature review clarifies that the research involving hardware-in-the-loop (HIL) tends to concentrate its analyses in the equipment under test, such as power devices, control devices and their algorithms. Instead, it should consider systemic studies involving the interaction of these devices with Operation Centre IT systems, so relevant to the Smart Grid functionalities. The proposed methodology is based on the premise that an environment for testing Smart Grids functionalities should allow systemic analysis instead of focusing only on control devices of a specific area or specific automation systems. Instead, it should involve a more detailed representation of the network that is necessary for the correct representation of the Smart Grid. In this direction, the methodology defines and characterizes the development stages and main modules of a Smart Grid emulator and proposes solutions for integration issues. It applies concepts of hardware-in-the-loop, software-in-the-loop (SIL), simulation with event-driven synchronization, besides steady-state power simulation and low-cost hardware solutions that enabled the development of the Power grid emulator at a Smart Grid laboratory. The main features of the Smart Grid emulator developed and implemented at the Smart Grid laboratory, according to the proposed methodology, are also described in this work. Finally, the description of the Smart Grid laboratory, test cases and proofs of concepts involving IEEE/PES test feeders and real networks of the EDP utility, sponsor of the project for laboratory implementation under the ANEEL R&D Program, are presented to prove the Emulator performance and to discuss the contribution of the methodology herein proposed