análise de observabilidade em sistemas elétricos ... - NUPET - UTFPR

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁDEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICACURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA / AUTOMAÇÃOALLISON DINIZ NOCERAGIANCARLO GOMESANÁLISE DE OBSERVABILIDADE EM SISTEMAS ELÉTRICOS DEPOTÊNCIATRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSOCURITIBA2013

ALLISON DINIZ NOCERAGIANCARLO GOMESANÁLISE DE OBSERVABILIDADE EM SISTEMAS ELÉTRICOS DEPOTÊNCIAProposta de Trabalho de Conclusão de Curso deGraduação, apresentado à disciplina deMetodologia Aplicada ao TCC, do curso deEngenharia Industrial Elétrica com ênfase emAutomação, do Departamento Acadêmico deEletrotécnica (DAELT) da UniversidadeTecnológica Federal do Paraná (UTFPR), comorequisito parcial para a obtenção do título deEngenheiro Eletricista com ênfase emAutomação.Orientador: Prof. Dr. Raphael Augusto de SouzaBeneditoCURITIBA2013

LISTA DE ILUSTRAÇÕESFigura 1 – Fluxograma do Processo ......................................................................... 12

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLASEE – Estimação de EstadoIEEE – Institute of Electrical and Electronics EngineersSEP – Sistema Elétrico de PotênciaUTR – Unidade Terminal Remota

SUMÁRIO1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 61.1 TEMA ................................................................................................................. 71.1.1 Delimitação do Tema .................................................................................. 71.2 PROBLEMA E PREMISSAS ................................................................................. 91.3 OBJETIVOS ........................................................................................................ 101.3.1 Objetivo Geral ............................................................................................... 101.3.2 Objetivos Específicos.................................................................................... 101.4 JUSTIFICATIVA .................................................................................................. 101.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................................ 111.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................ 121.7 CRONOGRAMA .................................................................................................. 131.8 REFERÊNCIAS ................................................................................................... 13

7estimar as variáveis de estado. Essa dinâmica é o foco principal dessa proposta deestudo, identificar as ilhas e procurar a restauração da observabilidade, além deanalisar métodos entre os muitos existentes e conhecer as suas diferenças evantagens particulares.Os sistemas de medição instalados são constituídos usualmente demedidores do tipo fluxo de potência ativa e reativa nos ramos ou linhas da rede,relativo a duas barras; injeção de potência ativa e reativa e magnitudes das tensõesnos barramentos, relativos a uma barra da rede [1] .Essas medidas comumente são processadas de forma a haveremredundâncias, o que aumenta a confiabilidade da estimação de estado, além desuprir falhas em medidores e possibilitar a detecção de erros grosseiros. Essasmedições são aferidas em sub-estações que podem ser localizadas a grandesdistâncias umas das outras, considerando as dimensões de alguns SEP, causando,desta maneira possíveis falhas que podem ser temporárias ou não.1.1 TEMAAnálise de Observabilidade em Sistemas Elétricos de Potência.1.1.1 Delimitação do TemaA partir dessa introdução pode-se inferir a importância do tema escolhido, queespecificamente trata da análise da observabilidade em sistemas elétricos depotência; a avaliação da possibilidade de restaurar a observabilidade, seja porpseudo-medidas ou inserção de novas medidas; a identificação de ilhas observáveise de medidas críticas, que são as medidas essenciais à observabilidade.Estudos com esse enfoque já são realizados desde a década de 60, com oexemplo de Schweppe (SCHWEPPE; WILDES; RON, 1968; SCHWEPPE; WILDES,1970; SCHWEPPE; RON, 1970; e SCHWEPPE, 1970) que traçou tópicos quemostravam a complexidade e necessidade de se conhecer mais sobre o assunto [2] .Depois, a partir da década de 70, vieram estudos que já buscavam de formamais específica o foco no tema, porém ainda sem apresentar efetiva aplicaçãoprática. Exemplificam esse caso os métodos de Handschin e Bongers (1972) eFetzer e Anderson (1975), entre outros. Ainda nessa década, outro método que

8merece destaque é o de Clements e Wollenberg (1975), que relataram umprocedimento onde a análise das medidas de fluxo é feita antes e então a análisedas medidas de injeção. Aprimorando esse algoritmo de Clemets e Wollenberg(1975), Allemong et al (1980) deu o primeiro passo da nova década nesses estudos[2] .Nessa década de 80, foram introduzidos os conceitos de observabilidadealgébrica, numérica e topológica e com o conceito de teoria de grafos desenvolveuseum algoritmo para essa análise. Pouco mais tarde em 1985, Monticelli e Wudesenvolveram um método numérico a partir da fatoração triangular da matriz ganhoque faz a verificação da observabilidade da rede e, caso não seja observável comoum todo, permite identificar as ilhas [2] .Já durante a década de 90, Bretas (1996) apresentou o método deobservabilidade que utiliza o conceito de caminhos de fatoração, associado àfatoração triangular da matriz Ganho, para determinação das ilhas observáveis erestauração da observabilidade [1] .Mais recente, o trabalho de Benedito, London Jr. e Bretas (2009),desenvolveu um método que será estudado nesse trabalho, o método paraidentificação de ilhas observáveis, através do conceito de caminhos de fatoração,associado à fatoração da matriz Jacobiana. Esse método possibilita a identificaçãode ilhas observáveis de uma forma bastante direta, sem exigir a solução deequações algébricas e apresenta baixo esforço computacional [1] .Com tantos estudos realizados e a constante necessidade de melhoria deconhecimentos e técnicas no assunto, que precisavam acompanhar a evolução ecrescimento dos sistemas elétricos, atualmente a análise de observabilidade atingiuo ponto em que pode ser feita para sistemas de alto grau de complexidade e queenvolvem inúmeras barras.Dentre os métodos atuais, os métodos numéricos costumam ser os maissimples por visar rotinas já disponíveis nos programas de estimadores de estado,exigem menos esforço computacional que os métodos topológicos. Esses, por suavez, fundamentam-se na teoria de grafos e apresentam a necessidade da criação derotinas específicas, exigem o maior esforço computacional por terem naturezacombinatória complexa com um grau diretamente proporcional ao tamanho enúmero de barras e ramos do SEP (Benedito, 2009).

10A partir da definição de forma específica dos problemas alvo da proposta e deseus efeitos de modo geral, pode-se elaborar as premissas e suposições relativasao resultado esperado do estudo proposto. Nessa fase inicial do trabalho, projetamseresultados relativos primeiramente ao aprendizado e manuseio de métodos jáconhecidos para a verificação da observabilidade e identificação de ilhasobserváveis e medidas críticas. Com isso espera-se obter o conhecimento dosmétodos e de ferramentas comuns entre eles. A partir disso, a expectativa volta-separa o desenvolvimento de um software que possa desenvolver com o métodonumérico da fatoração da matriz jacobiana, um novo método para a mesmautilização. Desse, a hipótese que se levanta é fazê-lo capaz de simular sistemas depotência de testes de 14 a 30 barras do IEEE de modo a obter a confiabilidade daanálise, e a restauração da observabilidade, caso necessário, que permaneçamesmo com a perda de 1 ou 2 medidas quaisquer ou, até mesmo, de uma UTRqualquer, que é o critério técnico mais aceito [2] .1.3 OBJETIVOS1.3.1 Objetivo GeralDesenvolver um software para análise de observabilidade em sistemas elétricosde potência.1.3.2 Objetivos EspecíficosVerificar se um sistema é observável ou não;Identificar ilhas observáveis;Identificar medidas críticas do sistema de medidas utilizado;Restaurar a observabilidade do sistema de potência.1.4 JUSTIFICATIVAOs sistemas de potência modernos representam os maiores e maiscomplexos sistemas já construídos pelo homem, o que exige técnicascomputacionais cada vez mais avançadas e precisas para construir, manter e operaresses sistemas (STEVENSON, 1994).Um sistema elétrico de potência tem como finalidade suprir as exigências dosseus consumidores, e para alcançar esse objetivo é indispensável continuidade,

11qualidade e economia no fornecimento da energia elétrica. Desta maneira, uma dasmetodologias utilizadas para realizar essa operação e controle é o processo deEstimação de Estado, no qual se determina as variáveis de estado do SEP a partirum conjunto de medidas redundantes.Entretanto, é comum em sistemas elétricos não se obter medições suficientes,das variáveis de estado, para o controle do sistema observado, devido a problemasnos barramentos ou nas linhas de transmissão. Muitas vezes são utilizadas pseudomedidas,baseadas em dados históricos, na tentativa de restaurar o funcionamentodo sistema. Todavia, dependendo da complexidade do SEP essas pseudo-medidasnão são suficientes para restauração do sistema, sendo necessária uma análisemais profunda do problema.Nesse contexto, pode-se notar o quão importante é desenvolver umaferramenta capaz de realizar esse controle de medidas, atuar na segurançapreventiva, mostrando medidas críticas e ainda restaurar a observabilidade de umsistema de potência.1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOSA primeira ação a ser realizada é a fundamentação teórica, esta adquiridacom a revisão bibliográfica de livros, artigos, dissertações e, eventualmente,consultas na literatura disponibilizada pela biblioteca digital do IEEE. Então, seráiniciada a fase de estudos matemáticos, utilizando o software MATLAB para realizarcálculos necessários e, principalmente, a fatoração triangular (eliminação de Gauss)de matrizes. De modo geral, pode-se destacar esta etapa descrita anteriormente,pois o projeto é baseado, em sua essência, na análise da fatoração da matriz e seusfatores, identificando a dependência linear existente entre as diversas barras dosistema.O fluxograma mostrado na Figura 1 foi elaborado para facilitar o entendimentodos procedimentos seguidos no programa para realizar a análise de observabilidade.

12Figura 1 – Fluxograma do Processo.Fonte: Própria.Depois de finalizado o programa, começará a etapa das simulações, as quaisserão feitas com sistemas-testes de 14 a 30 barras do IEEE. Concluindo essa fase,de maneira eficiente e satisfatória, é possível partir para a etapa final do projeto,relatar os resultados e evidenciar as conclusões.1.6 ESTRUTURA DO TRABALHOO trabalho será organizado da seguinte maneira:Capítulo 1 – Introdução, contendo a delimitação do tema, problemas epremissas, objetivos geral, objetivos específicos, justificativa e procedimentosmetodológicos.Capítulo 2 – Embasamento teórico sobre Estimação de Estado em sistemaselétricos de potência, evidenciando conceitos específicos da análise deobservabilidade.Capítulo 3 – Desenvolvimento do programa para análise de observabilidade.Utilizando o software MATLAB será desenvolvido o algoritmo que verifique se osistema é observável, além disso, identifique as ilhas observáveis e possíveismedidas críticas. As simulações serão feitas com sistemas-testes de 14 a 30 barrasdo IEEE.

13Capítulo 4 – Apresentação dos resultados das simulações. Serãoapresentadas às telas das simulações que mostram se o sistema analisado éobservável como um todo ou não. Se existirem ilhas observáveis no sistema essastelas mostrarão as ilhas e as barras que estão contidas nelas, bem como as barrasque possuem medidas críticas.Capítulo 5 – Conclusão.1.7 CRONOGRAMATabela 1 – Cronograma para realização do TCC.Atividades2012 2013 2014Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev MarFundamentaçãoTeóricaReuniõesDesenvolvimento daPropostaEntrega daPropostaRedação do TCC 1EmbasamentoMatemáticoDesenvolvimento doAlgoritmoImplementação doAlgoritmoSimulaçõesRedação do TCC 2Conclusão dasAtividadesFonte: Própria.1.8 REFERÊNCIAS[1] BENEDITO, Raphael A. S.; London Jr., João B.A.; Bretas, Newton G. Análisede Observabilidade em Sistemas Elétricos de Potência: Identificação de IlhasObserváveis Através de Caminhos de Fatoração Associados à MatrizJacobiana. XI Simpósio de Especialistas em Planejamento da Operação eExpansão Elétrica. 2009.

14[2] VIGLIASSI, Marcos Paulo. Projeto de Sistemas de Medição Confiáveispara Efeito de Estimação de Estado Via Algoritmos Evolutivos e Matriz H t Δ .2009. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Escola de Engenharia deSão Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2009.[3] BENEDITO, Raphael Augusto de Souza. Avaliação da Qualidade eRedundância das Medidas para Estimação de Estado em Sistemas Elétricos dePotência. 2007. 207 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Escola deEngenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.BRETAS, N.G. (1996). Network Observability: A theory based on triangularfactorization and path graph concepts - part I. International conference onAutomatic Control, cidade do Porto, Portugal, Setembro.STEVENSON, William D. Jr.; GRAINGER, John J. Power System Analysis. 1 st ed.Singapore: Mc Graw-Hill. 1994.