SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZAÇÃO DE SISTEMA ESPECIALISTA NA RECOMPOSIÇÃO DE SISTEMAS DE POTÊNCIA

Transcrição

1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GOP a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO IX GRUPO DE ESTUDO DE OPERAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GOP UTILIZAÇÃO DE SISTEMA ESPECIALISTA NA RECOMPOSIÇÃO DE SISTEMAS DE POTÊNCIA Cleber Roberto Guirelli Prof. Dr. José Antônio Jardini Luiz Carlos Magrini (*) USP USP USP Marcos Lívio Beviláqua Meloni CTEEP RESUMO Este trabalho apresenta o resultado de um projeto de pesquisa conjunto da USP com a CTEEP Transmissão Paulista para o desenvolvimento de um sistema computacional de apoio a recomposição do sistema de transmissão da CTEEP, baseado em inteligência artificial. O sistema foi denominado SEAR Sistema Especialista de Apoio a Recomposição. Um dos módulos do SEAR é um sistema especialista baseado em regras, cuja base de conhecimento foi montada com as regras de operação do ONS, capacitando-o a identificar situações de blecaute e fornecer os procedimentos necessários a recomposição em forma de texto e gráfica, através dos unifilares do sistema elétrico. PALAVRAS-CHAVE Sistemas especialistas, recomposição, sistemas de potências, sistemas de transmissão, inteligência artificial INTRODUÇÃO Durante a recomposição do sistema elétrico do estado de São Paulo após um blackout, deve-se atender uma grande quantidade de cargas concentradas na região da cidade de São Paulo, a partir de usinas situadas no outro extremo do estado. O processo de recomposição atualmente empregado procura religar as principais linhas de transmissão e alocar parte da carga formando ilhas estáveis no sistema; é o chamado processo fluente de recomposição. Após o processo de recomposição fluente, as ilhas do sistema são interligadas e o restante da carga alocada, constituindo o processo coordenado de recomposição. A fim de executar a recomposição do sistema, os operadores devem seguir os procedimentos de recomposição fluente e coordenada homologados pelo ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico). Há, no entanto, uma forte pressão para a rápida recomposição do sistema, ao mesmo tempo em que os operadores recebem uma avalanche de informações e alarmes gerados pelo SSC (Sistema de Supervisão e Controle), além de uma grande quantidade de procedimentos a serem seguidos. Ocasionalmente, os equipamentos declarados no procedimento ONS estão impedidos, ou apresentam defeito no momento da manobra, criando situações inesperadas que acabam por dificultar ainda mais a recomposição. (*) Rua Deputado Lacerda Franco, 300 sala o andar CEP São Paulo, SP Brasil Tel: (+55 11) magrini@fdte.org.br

2 2 A fim de auxiliar os operadores durante os processos de recomposição fluente e coordenada, foi realizado um projeto de pesquisa conjunta entre a USP (Universidade de São Paulo) e a CTEEP Transmissão Paulista, visando o desenvolvimento de um sistema capaz de auxiliar os operadores durante o processo de recomposição, que seguisse exatamente os procedimentos aprovados pelo ONS O SOFTWARE 2.1 Introdução O sistema SEAR Sistema Especialista para Apoio a Recomposição, é composto de 3 módulos funcionais: Coleta de dados: Interface gráfica: Sistema especialista: coleta de medições e indicações de estados do sistema elétrico; visualização gráfica em diagramas unifilares, do estado corrente do sistema elétrico; implementa uma máquina de inferência baseada em regras, de forma a poder identificar blackouts e sugerir manobras. O sistema trabalha com uma estrutura cliente/servidor, sendo que um computador servidor fica responsável pela disseminação dos dados do sistema elétrico a três computadores clientes instalados nas mesas dos operadores, realizando processamento local de sistema especialista. Os diagramas unifilares utilizados pela interface gráfica ficam também armazenados nesse servidor, facilitando o processo de atualização desses diagramas, já que periodicamente o microcomputador cliente compara as versões dos diagramas unifilares armazenados localmente, com as do servidor e automaticamente os substituem pelas respectivas versões mais recentes. Figura 1 - Arquitetura do SEAR 2.2 Módulo de Coleta de dados O SEAR periodicamente coleta as indicações de estado para determinar a topologia da rede, bem como as medições das grandezas elétricas disponíveis na base de dados histórica do sistema SSC (Sistema de Supervisão e Controle). O SSC promove a varredura das Unidades Terminais Remotas (UTR) a cada quatro segundos, e os dados coletados ficam armazenados num historiador de forma compactada. O módulo de coleta resgata do historiador, por meio de uma API (Application Program Interface) disponibilizada pelo fabricante, as grandezas que necessita para a recomposição da rede elétrica, tais como: Estado de disjuntores e seccionadores; Fluxo de potência ativa em linhas, transformadores e máquinas; Tensão em barramentos e máquinas. Cada grandeza vem acompanhada de um parâmetro de qualidade indicando possíveis anomalias, tais como: se o dado foi substituído manualmente pelo operador, se a UTR está fora de varredura, se o valor fornecido trata-se da última leitura válida, etc., que é tratado pelo SEAR. O procedimento de recomposição do ONS estabelece etapas que devem ser integralmente concretizadas, antes do inicio da etapa seguinte, de forma que há necessidade de se aguardar o tempo gasto pelo mecanismo de manobra dos equipamentos. Isso faz com que o SEAR não necessite de tempo de resposta apertado. Assim sendo, foi estabelecido que o módulo e aquisição e disseminação dos dados recupere as informações necessárias do historiador a cada 30 segundos, de forma a minimizar o impacto no historiador do SSC.

3 3 2.3 Módulo de Interface Gráfica A interface gráfica foi focada na facilidade de visualização da rede elétrica pelos operadores. Para tanto utilizou-se diagramas elétricos já usados no cotidiano pelos funcionários, de modo a minimizar o desconforto operativo. Foram utilizados diagramas unifilares individuais para cada um dos principais corredores de recomposição (Figura 2), que são: Água vermelha Capivara/Taquaruçu Chavantes Ilha Solteira Jupiá E adicionalmente um global com o panorama do Estado de São Paulo (Figura 3): Figura 2 - Visualização parcial do unifilar do do corredor Jupiá Figura 3 - Unifilar do sistema 440kV de São Paulo A interface gráfica proporciona uma série de funcionalidades: Interface semelhante a outros softwares para sistema operacional MS Windows; Codificação de cores idêntica ao adotado pelo sistema SSC; Medições disponíveis ao toque de cursor (Figura 4); Procedimentos do ONS disponíveis para cada equipamento, ao toque de cursor (Figura 5); Indicação gráfica das ações necessárias à recomposição; Validado pelos próprios operadores. Figura 4 - Medições em um Figura 5 - Regras ONS disponíveis na equipamento específico interface gráfica A interface gráfica dispõe ainda de um simulador que permite a criação de cenários para testes do sistema especialista e treinamento dos operadores. Recomposições realizadas pelo sistema são armazenadas em uma base de dados local implementada em Microsoft Access, permitindo assim o resgate e estudo de recomposições executadas anteriormente.

4 4 2.4 Módulo de Recomposição O módulo de recomposição é alimentado com informações oriundas do SSC, de modo a obter a topologia e demais medições do sistema elétrico necessárias à máquina de inferência. A base de conhecimento fica residente localmente de modo a agilizar o processamento do sistema especialista (Figura 6). Figura 6 Saída do módulo de recomposição O cerne do módulo de recomposição é o sistema especialista, enquanto que o módulo de recomposição propriamente dito fica encarregado de transferir os dados às variáveis do sistema especialista, disparar o processamento do sistema especialista e recuperar o resultado do processamento das regras do ONS para cada um dos corredores e fornecer as eventuais operações necessárias para permitir a recomposição. Por exemplo: Recomposição Fluente da área Jupiá / UHE Jupiá / Sincronizar 6 unidades geradoras. As ações necessárias na rede, são visualizadas de forma gráfica no unifilar (uma elipse envolve o símbolo do equipamento a ser manobrado/ajustado), e na parte inferior da tela em formato textual (Figura 7) SISTEMA ESPECIALISTA Figura 7 - Saída do sistema especialista A maior parte do SEAR foi desenvolvida em Microsoft Visual Basic e o sistema especialista, que é parte integrante do módulo de recomposição, em CLIPS. O CLIPS ( C Language Integrated Production System ) é uma ferramenta de domínio público para o desenvolvimento de sistemas especialistas baseados em regras embora suporte também os paradigmas de programação procedural e orientado a objetos. Seu desenvolvimento se iniciou em 1985 pela NASA como uma alternativa a linguagem LISP, que além de apresentar na época elevado custo, oferecia poucos recursos para se integrar com outras linguagens de programação, o que dificultava sua utilização em sistemas embarcados. Com o intuito de se obter uma melhor estruturação do SEAR, foi desenvolvida em CLIPS uma estrutura de dados visando proporcionar uma forma genérica de definir as regras de recomposição, permitindo assim a fácil alteração e manutenção do sistema. O módulo de recomposição recebe periodicamente um snapshot do sistema elétrico atualizado com indicações de estado e medições recuperadas do historiador que são armazenadas em estruturas internas do CLIPs e se constituem numa base de dados do sistema elétrico. Soma-se a ela uma base de dados de regras de recomposição construída segundo a documentação do ONS. A máquina de inferência processa as regras com as informações armazenadas na base de dados do sistema elétrico e gera as ações necessárias para prosseguimento da recomposição, transferidas ao módulo de interface gráfica (Figura 8).

5 5 Figura 8 - Estrutura do módulo de recomposição 3.1 Base de dados do sistema elétrico A base de dados do sistema elétrico foi implementada como estruturas genéricas baseadas em listas, com o formato: (elemento (tipo xxx) (target xxx) (status xxx) (tag xxx ) (maquinas xx) (maquinas_sinc xx) (tensao xx) (fluxo xx)) Onde: tipo - tipo de equipamento: disjuntor, barra,etc. target identificação do equipamento. Ex. Disj_1_JUP status situação do equipamento: operando, impedido, aberto, fechado, etc.; tag nos disjuntores indica a presença de impedimento operativo; máquinas número de máquinas ligadas ao equipamento. Só para barras; máquinas_sinc número de hidro-geradores (máquinas) sincronizados ligadas ao equipamento. Sómente utilizado para barras; tensão tensão de operação do equipamento; fluxo medição do fluxo de potência ativa no equipamento; Se alguma dessas grandezas não se aplicar a um equipamento específico, é preenchida com zero. Na figura 9 é apresentado um exemplo da estrutura de dados para os principais componentes do sistema elétrico. Figura 9 Exemplo base de dados do sistema elétrico para Barra, Linha e Disjuntor. A base com informações do sistema elétrico definida para a rede da CTEEP apresenta 974 equipamentos cadastrados. Sua criação e manutenção são realizadas automaticamente pelo programa, a partir dos diagramas unifilares. 3.2 Base de Regras Os procedimentos de recomposição do ONS encontram-se no formato tabular e na forma de texto (vide exemplo na figura 1) e necessitam ser convertidos em um formato adequado para serem cadastrados na base de regras.

6 6 Tabela 1- Exemplo dos procedimentos de recomposição ONS PROCEDIMENTO OBJETIVO / ITEM DE CONTROLE Energizar a LT 440 kv Jupiá / Três Irmãos, a partir da SE Jupiá, enviando tensão para a UHE Três Irmãos. Usina Jupiá com 8 UGs sincronizadas e geração 300 MW. Os procedimentos operativos estabelecem a seqüência de ações a serem realizadas para a recomposição, enquanto que nos objetivos/itens encontram-se definidas as condições que devem existir no sistema elétrico para que o procedimento possa ser executado. Cabe a máquina de inferência observar se os itens de controle estão sendo observados, e em caso de desajuste sugerir ações que coloquem o sistema elétrico em conformidade com o procedimento. Para a criação da base de regras, cada procedimento e item de controle foram decompostos em conjuntos de regras binárias, ou seja, a solução somente pode ser verdadeira ou falsa. A combinação dessas regras dá origem a uma série de grafos binários. Um detalhe desses grafos pode ser vista na Figura 10. Figura 10 - Árvore binária de regras de recomposição Ao ser executada, a máquina de inferência percorre o grafo analisando as regras. Após a análise de cada regra temos duas possibilidades: a regra foi atendida ou a regra não pôde ser atendida. Cada resposta leva a um novo ramo do grafo. O processo prossegue até que se chegue ao final da recomposição ou se chegue a uma situação sem saída, ou seja, uma condição do sistema elétrico para o qual não há regra programada com uma solução. Isso ocorre, pois o sistema de regras implementa atualmente uma versão dos procedimentos ONS que não contempla todas as possíveis contingências do sistema elétrico. A estrutura da base de regras permite, no entanto, que novas regras sejam incluídas de modo a poder evoluir e um maior número possível de contingências esteja coberto pelo sistema. A base de regras desenvolvida possui atualmente 845 condições. Um exemplo da sintaxe das regras pode ser visto na Figura 11. Figura 11 - Regras de recomposição

7 7 3.3 Máquina de Inferência É o conjunto de funções e variáveis programadas em CLIPS capazes de processar a lista de regras e base de dados do sistema elétrico, fornecendo as operações de recomposição necessárias. Seu funcionamento interno não é acessível ao usuário, sendo composta de 16 funções e 42 variáveis e, ao ser executada, executa até iterações em uma única etapa da recomposição. A máquina de inferência do CLIPS implementa o algoritmo RETE de encadeamento progressivo DESENVOLVIMENTO E TESTES DO SISTEMA A interface gráfica do sistema foi desenvolvida e testada com o auxílio dos operadores da concessionária a fim de determinar as necessidades reais dos usuários finais e chegar a uma interface o mais amigável possível. Os testes do processo de recomposição apenas puderam ser efetuados através do modo de simulação. Com os testes foi possível a verificação e ajuste da base de regras a fim de que esteja exatamente como os procedimentos. O processo completo de leitura de dados, visualização e processamento do sistema especialista consome de 20 a 30 segundos, de acordo com a etapa da recomposição, sendo adequado às necessidades dos operadores CONCLUSÃO O sistema especialista para apoio a recomposição se apresenta como uma ferramenta capaz de permitir aos operadores uma rápida visualização dos unifilares e dos passos necessários a recomposição, em forma de texto e gráfica, filtrando os alarmes do sistema se supervisão. Por seguir fielmente as regras estabelecidas pelo ONS, o processo executado pelo sistema pode ser auditado REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Martino, M. B. de et al., Sistema especialista de auxílio à recomposição do sistema Furnas, XV SNPTEE Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, Out (2) Islam, S.; Chowdhury, N., A case-based Windows graphic package for the education and training of power system restoration, IEEE Transactions on Power Systems, Volume: 16, Issue: 2, May (3) Lambert-Torres, G.; Borges da Silva, L.E.; Moutinho Ribeiro, G.; Povoa, M. J., An intelligent tool for power system restoration: an example using CESP transmission system, PowerCon International Conference on Power System Technology, Volume: 2, 4-7 Dec (4) Young-Moon Park; Kwang-Ho Lee, Application of expert system to power system restoration in sub-control center, IEEE Transactions on Power Systems, Volume: 12, Issue: 2, May (5) Kadar, P.; Mergl, A. K, CORES-the continuous restoration expert system, ISAP '96 - International Conference on Intelligent Systems Applications to Power Systems, 28 Jan. 2 Feb (6) Adibi, M. M.; Kafka, L. R. J.; Milanicz, D. P., Expert system requirements for power system restoration, IEEE Transactions on Power Systems, Volume: 9, Issue: 3, Aug (7) Brunner, T.; Nejdl, W.; Schwarzjirg, H.; Sturm, M., On-line expert system for power system diagnosis and restoration, Intelligent Systems Engineering, Volume: 2, Issue: 1, spring (8) Ebert, A.; Eppel, M.; Genthe, S.; Schwarzjirg, H.; Stark, J.; Werner, W, System restoration of a transmission network, Proceedings of EMPD '95 - International Conference on Energy Management and Power Delivery, 1995, Volume: 1, Nov

8 8 (9) Islam, S.; Chowdhury, N.; A case-based Windows graphic package for the education and training of power system restoration, Power Systems, IEEE Transactions on, Volume 16, Issue 2, May 2001 Page(s): (10) Helal, I.; Fathalla, H.; Mansour, M.M.S.; Al-Debieky, S.; Power system restoration using expert system technique, Electrical, Electronic and Computer Engineering, ICEEC ' International Conference on, 5-7 Sept Page(s): (11) Chao-Shun Chen; Chia-Hung Lin; Hung-Ying Tsai; A rule-based expert system with colored Petri net models for distribution system service restoration, Power Systems, IEEE Transactions on, Volume 17, Issue 4, Nov Page(s): DADOS BIOGRÁFICOS Cleber Roberto Guirelli Nasceu em Santo André, SP, Brasil, em 26 de julho de Graduado em Engenharia Elétrica, com ênfase em Energia e Automação Elétricas, pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Recebeu pela mesma instituição o grau de mestre em Atualmente realiza o curso de doutorado. Atuou três anos na área de ensaios de alta tensão no IEE-USP, 6 anos na área de automação industrial e atualmente trabalha como pesquisador pelo grupo GAGTD na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e como professor em outras Universidades. José Antonio Jardini Nasceu em março de 1941, formado em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da USP (EPUSP) em Mestre em 1970, Doutor em 1973, Livre Docente/ Prof Associado em 1991 e Professor Titular em 1999, todos pela EPUSP Departamento de engenharia de Energia e Automação Elétricas (PEA). Trabalhou de 1964 a 1991 na Themag Eng. Ltda. na área de estudos de sistemas de potência, projetos de linhas e automação. Atualmente é professor da escola Politécnica da USP do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas onde leciona disciplinas de Automação da Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. Foi representante do Brasil no SC38 da CIGRE, é membro da CIGRE, Fellow Member do IEEE, e Distinguished Lecturer do IAS/IEEE. Luiz Carlos Magrini Nascido em São Paulo, Brasil, em maio de Graduado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em 1977 (Engenharia Elétrica). Recebeu pela mesma instituição o título de MSc e PhD em 1995 e 1999, respectivamente. Trabalhou por 17 anos na Empresa Themag Engenharia Ltda. Atualmente, além de professor da UNIP, atua como pesquisador/ coordenador de Projetos, no Grupo GAGTD da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Marcos Lívio Beviláqua Meloni Engenheiro Eletrotécnico pela Universidade Federal de Itajubá, 1985, tendo sido contratado pela CESP- Cia Energética de São Paulo em De 1986 a Trabalhou como Engenheiro de Comando e Controle da Usina Hidrelétrica Ilha Solteira. Entre 1995 e 1999 foi Gerente do Centro Regional de Operação do Paraná que comandava as Usinas de Ilha Solteira, Jupiá, Três Irmãos e Porto Primavera. No período entre 1999 e 2006 Com a Cisão da CESP foi para a CTEEP Transmissão Paulista como Gerente do centro Regional de operação Bauru, responsável pela operação da transmissão da região oeste do Estado de São Paulo. A partir de 2007, com a unificação dos centros de operação, passou a atuar como engenheiro de tempo real do Centro de Operação da Transmissão.