ANÁLISE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA VIA ESTIMAÇÃO DE ESTADOS

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE ELETROTÉCNICA ADRIANA BEZERRA DOS SANTOS JESSÉ KARP LUCAS MENDES DE OLIVEIRA ANÁLISE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA VIA ESTIMAÇÃO DE ESTADOS CURITIBA 2011

2 ADRIANA BEZERRA DOS SANTOS JESSÉ KARP LUCAS MENDES DE OLIVEIRA ANÁLISE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA VIA ESTIMAÇÃO DE ESTADOS Trabalho acadêmico apresentado à disciplina de Metodologia aplicada ao Trabalho de conclusão de curso da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Curitiba, como requisito parcial de aprovação. Orientador: Dr. Professor Raphael Augusto de Souza Benedito CURITIBA 2011

3 LISTAS Tabela 1 - Cronograma Tabela 2 - Cronograma 1º Semestre de Tabela 3 - Cronograma 2º semestre de

4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO TEMA DELIMITAÇÃO DO TEMA PROBLEMA E PREMISSAS OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS OBJETIVOS SECUNDÁRIOS JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO REFERÊNCIAS... 11

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6 1 1. INTRODUÇÃO A operação em tempo real dos sistemas elétricos de potência, ou simplesmente SEP tem como principal objetivo o fornecimento de energia elétrica, em obediência a continuidade, qualidade e economia de serviço. Para alcançar tal objetivo é primordial que os níveis de tensão, freqüência, fluxo de potência nas interligações e carregamento de linhas e equipamentos dentro dos limites de segurança. Desta forma a operação de sistemas elétricos de potência, seja esta manual ou automatizada, requer uma aquisição e processamento de uma grande quantidade de informações. Essas informações devem permitir a determinação do estado operativo do Sistema Elétrico de Potência, ou seja, mesmo quando este não estiver operando adequadamente, deve mostrar um indicativo do problema e localiza-lo.(dy LIACCO, 2002) Para determinar o estado operante do SEP, deve-se analisar um conjunto de restrições, estas são variáveis de estado do sistema elétrico, como exemplo tensões nos barramentos, estas sendo obtidas através de um conjunto de medidas realizadas no Sistema Elétrico de Potência. Em virtude da grandiosidade dos SEP, tais medições comumente são feitas através da tele-medição. Contudo esta grande quantidade de medições podem resultar em erros, sendo assim necessário uma filtragem dos dados em prol da obtenção de um banco de dados confiável. A ferramenta utilizada nos centros de controle e operação, para realizar essa filtragem, é o estimador de estado (MOREIRA, 2006). Portanto, estimação de estados é a obtenção, em tempo real, das variáveis de estado de um sistema elétrico, através de um conjunto redundante de medidas com ruído, constituindo usualmente de medidas de fluxo de Potência ativa e reativa nas linhas, de injeção de Potência ativa e reativa e de algumas magnitudes de tensão nos barramentos. (MONTICELLI, 1999) O Estimador de Estados consiste em um conjunto de algoritmos para processar tele medidas realizadas em diversos pontos espalhados por toda a rede elétrica. O estimador processa as medições com o objetivo de fornecer estimativas confiáveis para as variáveis de estado. (ABUR e EXPÓSITO,2004).

7 2 Atualmente, as medidas utilizadas no processo de estimação de estado podem ser classificadas como convencionais ou como fasoriais sincronizadas. As medidas convencionais são aquelas oriundas do sistema supervisório SCADA, sendo este constituído usualmente por medidas de: fluxo e injeção de potência ativa e reativa; magnitude de tensão nas barras e magnitude de corrente nas linhas. Por outro lado, as medidas fasoriais sincronizadas, tais como as tensões e correntes fasoriais, são aferidas pelos chamados PMUs (Phasor Measurements Units) e sincronizadas através do sistema de geoposicionamento por satélite (GPS). A habilidade em detectar e identificar EGs é um dos atributos mais importantes do processo de estimação de estado em sistemas elétricos. Alguns EGs são óbvios e podem ser identificados a priori e eliminados do processo de estimação, através de uma simples verificação dos dados de entrada (medidas). Tais erros podem ser: valores absurdos de tensão elétrica eficaz; valores muito além dos esperados para medidas de potência e/ou corrente elétrica, etc (ABUR e EXPÓSITO, 2004). Entretanto, nem todos os tipos de EGs são facilmente detectáveis ou identificáveis dessa forma, exigindo o emprego de outras metodologias que fazem uso da análise dos resíduos das medidas.

8 3 1.1 TEMA potência. Estimação de estados de medidas elétricas em sistemas elétricos de DELIMITAÇÃO DO TEMA Dada a importância do processo de estimação de estado para o monitoramento e análise de sistemas elétricos, este trabalho de conclusão de curso versará sobre este tema, principalmente no que diz respeito à incorporação de medidas fasoriais no processo de estimação, e também, no que diz respeito à análise de resíduos em medidas para detecção de erros grosseiros.

9 PROBLEMA E PREMISSAS Embora o problema de estimação de estado venha sendo abordado em muitos trabalhos práticos e de pesquisa, o mesmo continua sendo um desafio no âmbito da engenharia elétrica, tendo em vista que a complexidade dos sistemas elétricos vem aumentando. Além disto, novas tecnologias são desenvolvidas a cada dia no ambiente dos centros de controle, tratando-se, portanto, de uma temática sujeita a um contínuo aprimoramento. Nesse contexto, torna-se primordial e, também, um diferencial o estudo de estimação de estado ao estudante de sistemas elétricos de potência. Além disso, a utilização de softwares como ferramenta de ensino é vantajosa, pois possibilita maior velocidade nos cálculos de estimação de estado, além de fornecer uma exemplificação mais completa do que o estudo sem o apoio de ferramentas computacionais permite. Entretanto, os softwares disponíveis atualmente como o SAGE (Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia, do CEPEL) - possuem fins comerciais, acarretando custos demasiados, que impossibilitam a sua aplicação em escolas de engenharia. Assim sendo, este trabalho de conclusão de curso pretende elaborar um software estimador de estado, com custo baixo ou gratuito, que possa ser utilizado como uma ferramenta didática no estudo da estimação de estado.

10 OBJETIVOS OBJETIVO GERAL Desenvolver um software capaz de efetuar estimação dos estados de sistemas elétricos de potência OBJETIVOS ESPECÍFICOS Estudar as técnicas de estimação de estado em Sistemas Elétricos de Potência; Estudar os conceitos de programação em MATLAB; Desenvolvimento de algoritmos, em MATLAB, para estimação de estados; Simulação de sistemas teste do IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) através do programa desenvolvido em MATLAB OBJETIVOS SECUNDÁRIOS Implementar algoritmos para o processamento de medidas elétricas com erros grosseiros; Incorporar medidas fasoriais ao programa desenvolvido.

11 JUSTIFICATIVA Para obter-se uma operação segura dos sistemas elétricos de potência (SEP), é imprescindível uma estimação de estado (EE) confiável, pois, as ações de controle e operação, em tempo real, dos SEP se baseiam no banco de dados obtido pelo processo de EE. (ABUR e EXPÓSITO,2004). Sendo assim, o estudo de estimação de estado é uma ferramenta muito importante para se analisar a confiabilidade de um Sistema Elétrico de Potência. E mostra-se oportuno o desenvolvimento de um programa que viabilize o estudo deste tema de forma extensiva.

12 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Inicialmente será realizada uma revisão bibliográfica sobre o tema, através de estudos de livros e artigos técnicos especializados na área. Após essa etapa, o passo seguinte é a programação computacional do estimador de estado (juntamente com a análise de resíduo), fazendo uso do software MATLAB, primeiramente utilizando somente medidas convencionais e, posteriormente, usando medidas fasoriais sincronizadas. Por fim, será executada a escrita do texto final do trabalho de conclusão de curso. O estimador de estado a ser utilizado e implementado é o estimador de estado estático por Mínimos Quadrados Ponderados (WLS, Weighted Least Squares) devido às facilidades envolvidas em sua modelagem e por ser o estimador mais utilizado pelas empresas do setor elétrico (ABUR e EXPÓSITO, 2004). Para a detecção e identificação de erros grosseiros em medidas, será utilizado o método baseado na análise dos resíduos normalizados das medidas. Isto porque os resíduos fornecem informações sobre eventuais violações das suposições relativas ao modelo de medição. Em relação à incorporação das medidas fasoriais sincronizadas, serão estudados os modelos apresentados nos trabalhos de Zhou et al. (2006) e Zhou et al. (2008) para depois escolher uma modelagem que melhor se adapte ao estimador de estado que será implementado neste trabalho de conclusão de curso. Para o cumprimento dos objetivos e do cronograma esperado, pretende-se realizar reuniões periódicas envolvendo todos integrantes da equipe e o professor orientador. Inicialmente, as reuniões serão mensais e, posteriormente, quinzenais (dependendo das atividades a serem executadas).

13 ESTRUTURA DO TRABALHO No primeiro capítulo do trabalho de conclusão de curso constará uma breve introdução à estimação de estado, bem como a definição e a delimitação do seu tema e de seus objetivos. O segundo capítulo será constituído de uma fundamentação teórica sobre o tema. Esta será formada por uma revisão literária aprofundada da abordagem de estimação de estado em sistemas elétricos de potência. Neste capítulo serão abordadas e definidas as diversas técnicas de estimação de estado, assim como alguns princípios a serem utilizados no desenvolvimento do programa em MATLAB. Serão expostos também os motivos da opção pelo método WLS e pela programação em MATLAB. O capítulo seguinte tratará dos procedimentos utilizados na realização do trabalho, desde a definição dos parâmetros considerados no software até a implementação do mesmo. Também neste capítulo serão expostos os sistemas teste do IEEE utilizados na simulação do programa. Por fim, o quarto capítulo compreenderá os testes realizados, as simulações e os resultados obtidos ao fim do trabalho, e as conclusões abalizadas a partir destes resultados.

14 CRONOGRAMA As atividades a serem desenvolvidas ao longo deste trabalho de conclusão de curso deverão obedecer a um cronograma pré-estipulado, de forma que se possibilite melhor organização e maior efetividade nos procedimentos e tarefas. As tabelas 1, 2 e 3 abaixo mostram o planejamento inicial das atividades, iniciando no mês de Julho de 2011 e seguindo até o mês de Dezembro de 2012, data prevista para a conclusão do curso e do trabalho. Atividades Revisão bibliográfica Participação em reuniões Redação da proposta Documentação Desenvolvimento de Algoritmos Implementação de Algoritmos Desenvolvimento de relatórios Conclusão das Atividades Tabela 1 - Cronograma Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro

15 10 Atividades Revisão bibliográfica Participação em reuniões Redação da proposta Documentação Desenvolvimento de Algoritmos Implementação de Algoritmos Desenvolvimento de relatórios Conclusão das Atividades Tabela 2 Cronograma 1º Semestre de º Semestre de 2012 Jan. Fev. Março Abril Maio Junho Julho Atividades Revisão bibliográfica Participação em reuniões Redação da proposta Documentação Desenvolvimento de Algoritmos Implementação de Algoritmos Desenvolvimento de relatórios Conclusão das Atividades Tabela 3 Cronograma 2º semestre de º Semestre de 2012 Agosto Setembro Outubro. Novembro Dezembro

16 REFERÊNCIAS MOREIRA, EDUARDO M. Estimação de estado em sistemas elétricos de potência: Programa para análise e atualização das características qualitativas de conjunto de medidas f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade de São Paulo, São Carlos, ABUR, A. & EXPÓSITO, A.G. (2004). Power system state estimation: theory and implementation. Marcel & Dekker Publishers, Nova York, EUA. HANDSCHIN, E.; SCHWEPPE, F.C.; KOHLAS, J.; FIECHTER, A. (1975). Bad data analysis for power systems state estimation. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 94, No. 2, p , Março/Abril. ZHOU, M.; CENTENO, V.A.; PHADKE, A.G.; HU, Y.; NOVOSEL, D.; VOLSKIS, H.A.R. (2008). In Proceedings of Third International Conference on Electric Utilily Deregulation and Restructuring and Power Technologies - DRPT 2008, p , Abril. (DOI: /DRPT ). ZHOU, M.; CENTENO, V.A.; THORP, J.S.; PHADKE, A.G. (2006). An Alternative for Including Phasor Measurements in State Estimators. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 21, No. 4, p , Novembro DY LIACCO, T. E. (2002). Control Centers Are Here To Stay. IEEE Computer Applications in Power, Vol. 15, No. 4, p.18-23, Outubro. (DOI: /MCAP ). MONTICELLI, A. (1999). State Estimation in Electric Power Systems: A Generalized Approach. Kluwer Academic Publishers, Massachusetts, USA.

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