ANÁLISE DE OBSERVABILIDADE EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA / AUTOMAÇÃO ALLISON DINIZ NOCERA GIANCARLO GOMES ANÁLISE DE OBSERVABILIDADE EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2013

2 ALLISON DINIZ NOCERA GIANCARLO GOMES ANÁLISE DE OBSERVABILIDADE EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica com ênfase em Automação, do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista com ênfase em Automação. Orientador: Prof. Dr. Raphael Augusto de Souza Benedito CURITIBA 2013

3 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Fluxograma do Processo... 12

4 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Cronograma para realização do TCC... 13

5 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS EE Estimação de Estado IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers SEP Sistema Elétrico de Potência UTR Unidade Terminal Remota

6 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do Tema PROBLEMA E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 13

7 6 1 INTRODUÇÃO Atualmente a importância e a necessidade da energia elétrica para a sociedade mundial dispensam quaisquer comentários e explicações, pois todos têm essa consciência. A energia elétrica faz parte da rotina diária de praticamente todas as pessoas em todos os países do mundo de forma expressiva, e de modo geral, todo o aspecto estrutural e físico de cada país se desenvolve com utilização, ainda sem alternativas igualmente viáveis, da energia elétrica. Seja a geração de forma nuclear, eólica, hidrelétrica, entre outras, a eletricidade permanece como unanimidade em termos de utilização. Uma vez vista a significância da energia elétrica para a humanidade é fácil de entender a importância de Sistemas Elétricos de Potência (SEP), pois estão intimamente ligados à utilização, gerenciamento e distribuição de energia elétrica. Os sistemas de potência são, desse modo, sistemas de manuseio e instalação com alto grau de periculosidade, quando envolvendo alta tensão, por exemplo, e de precisão e exatidão exigidos. Para que a operação e controle do SEP atendam esses padrões demandados, é essencial, entre outros processos, o de determinar o seu estado operativo em tempo-real, esse processo é chamado Estimação de Estado (EE). Tal processo consiste basicamente na determinação de valores eficazes e ângulos de fase das tensões fasoriais (complexas) elétricas em cada barra do SEP em questão (variáveis de estado), sendo esses valores tratados usualmente por coordenadas polares [1]. O primeiro tópico a ser avaliado em questão é a verificação da possibilidade ou não de se determinar todos os valores desejados a partir das medições e dados que se dispõe. O sucesso do processo de EE depende do sistema de medição instalado, tipo e localização dos medidores. Nesse contexto, o SEP é dito observável caso o conjunto de medidas possibilite a determinação de todas as variáveis de estado e caso contrário o sistema não é observável [1]. Quando um sistema não for observável será necessária a análise da introdução de pseudo-medidas (inferições a partir de dados históricos conhecidos daquele setor específico da rede ou em previsões de carga) para restabelecer a sua observabilidade. Se isso não for possível, o próximo passo será a identificação de ilhas observáveis no SEP, isto é, as regiões da rede em que ainda seja possível

8 7 estimar as variáveis de estado. Essa dinâmica é o foco principal dessa proposta de estudo, identificar as ilhas e procurar a restauração da observabilidade, além de analisar métodos entre os muitos existentes e conhecer as suas diferenças e vantagens particulares. Os sistemas de medição instalados são constituídos usualmente de medidores 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 tensões nos barramentos, relativos a uma barra da rede [1]. Essas medidas comumente são processadas de forma a haverem redundâncias, o que aumenta a confiabilidade da estimação de estado, além de suprir falhas em medidores e possibilitar a detecção de erros grosseiros. Essas medições são aferidas em sub-estações que podem ser localizadas a grandes distâncias umas das outras, considerando as dimensões de alguns SEP, causando, desta maneira possíveis falhas que podem ser temporárias ou não. 1.1 TEMA Análise de Observabilidade em Sistemas Elétricos de Potência Delimitação do Tema A partir dessa introdução pode-se inferir a importância do tema escolhido, que especificamente trata da análise da observabilidade em sistemas elétricos de potência; a avaliação da possibilidade de restaurar a observabilidade, seja por pseudo-medidas ou inserção de novas medidas; a identificação de ilhas observáveis e de medidas críticas, que são as medidas essenciais à observabilidade. Estudos com esse enfoque já são realizados desde a década de 60, com o exemplo de Schweppe (SCHWEPPE; WILDES; RON, 1968; SCHWEPPE; WILDES, 1970; SCHWEPPE; RON, 1970; e SCHWEPPE, 1970) que traçou tópicos que mostravam 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 forma mais específica o foco no tema, porém ainda sem apresentar efetiva aplicação prática. Exemplificam esse caso os métodos de Handschin e Bongers (1972) e Fetzer e Anderson (1975), entre outros. Ainda nessa década, outro método que

9 8 merece destaque é o de Clements e Wollenberg (1975), que relataram um procedimento onde a análise das medidas de fluxo é feita antes e então a análise das 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 observabilidade algébrica, numérica e topológica e com o conceito de teoria de grafos desenvolveuse um algoritmo para essa análise. Pouco mais tarde em 1985, Monticelli e Wu desenvolveram um método numérico a partir da fatoração triangular da matriz ganho que faz a verificação da observabilidade da rede e, caso não seja observável como um todo, permite identificar as ilhas [2]. Já durante a década de 90, Bretas (1996) apresentou o método de observabilidade que utiliza o conceito de caminhos de fatoração, associado à fatoração triangular da matriz Ganho, para determinação das ilhas observáveis e restauração da observabilidade [1]. Mais recente, o trabalho de Benedito, London Jr. e Bretas (2009), desenvolveu um método que será estudado nesse trabalho, o método para identificação de ilhas observáveis, através do conceito de caminhos de fatoração, associado à fatoração da matriz Jacobiana. Esse método possibilita a identificação de ilhas observáveis de uma forma bastante direta, sem exigir a solução de equações algébricas e apresenta baixo esforço computacional [1]. Com tantos estudos realizados e a constante necessidade de melhoria de conhecimentos e técnicas no assunto, que precisavam acompanhar a evolução e crescimento dos sistemas elétricos, atualmente a análise de observabilidade atingiu o ponto em que pode ser feita para sistemas de alto grau de complexidade e que envolvem inúmeras barras. Dentre os métodos atuais, os métodos numéricos costumam ser os mais simples por visar rotinas já disponíveis nos programas de estimadores de estado, exigem menos esforço computacional que os métodos topológicos. Esses, por sua vez, fundamentam-se na teoria de grafos e apresentam a necessidade da criação de rotinas específicas, exigem o maior esforço computacional por terem natureza combinatória complexa com um grau diretamente proporcional ao tamanho e número de barras e ramos do SEP (Benedito, 2009).

10 9 Atualmente os aspectos em que é necessário desenvolvimento são principalmente o da velocidade de análise com exatidão e o da necessidade de esforços computacionais, tendo em vista que a operação e controle de SEP devem ser feitos e atualizados em tempo real. Ante a esse contexto, essa proposta visa a estudar métodos viáveis e que permitam total controle e monitoração sobre o SEP através da estimação de estado. Deve também a partir da análise de observabilidade gerar informações importantes para a tomada de decisões em relação a esse sistema de medição. 1.2 PROBLEMA E PREMISSAS Mesmo sendo sempre alvo de pesquisas e desenvolvimentos de materiais e técnicas de estudo, como visto na contextualização anterior, a estimação de estado em SEP ainda permanece como um campo aberto de trabalho. Isso se deve aos problemas que vem surgindo na aplicação prática da teoria levantada. Essas adversidades foram comprovadas no IEEE Power Engineering Society General Meeting 2005, onde foi de visão geral que parte significativa ou até próxima da totalidade dos estimadores de estado não tinham como retorno uma base de dados suficientemente confiável para uma ideal análise e controle dos SEP [3]. Com isso várias etapas desse processo tiveram credibilidade colocada à prova, para que além de rastrear o problema do processo, fossem definidas novas ferramentas que suprissem a falta de confiabilidade. Com essas novas ferramentas foi-se objetivado ganho de efetividade e aproveitamento de redundância das medições e do sistema de medida adotado. Em meio ao contexto de adversidades conhecidas no processo de estimação de estado, definem-se como principais problemas a serem tratados nessa proposta de estudo os relacionados à primeira etapa do processo de EE, a análise de observabilidade diante da configuração e dimensão do sistema de medidas. Essa etapa é uma condição necessária para a estimação, portanto, as falhas dessa etapa implicarão na falha de todo o processo. Tem-se que, com a definição desses problemas, podem-se mensurar seus possíveis efeitos que os tornam ainda mais significativos. Esses efeitos de modo geral concentram-se em efeitos de segurança, como visto há níveis altos de tensões, e efeitos na utilização da eletricidade.

11 10 A partir da definição de forma específica dos problemas alvo da proposta e de seus efeitos de modo geral, pode-se elaborar as premissas e suposições relativas ao resultado esperado do estudo proposto. Nessa fase inicial do trabalho, projetamse resultados relativos primeiramente ao aprendizado e manuseio de métodos já conhecidos para a verificação da observabilidade e identificação de ilhas observáveis e medidas críticas. Com isso espera-se obter o conhecimento dos métodos e de ferramentas comuns entre eles. A partir disso, a expectativa volta-se para o desenvolvimento de um software que possa desenvolver com o método numérico da fatoração da matriz jacobiana, um novo método para a mesma utilização. Desse, a hipótese que se levanta é fazê-lo capaz de simular sistemas de potência de testes de 14 a 30 barras do IEEE de modo a obter a confiabilidade da análise, e a restauração da observabilidade, caso necessário, que permaneça mesmo com a perda de 1 ou 2 medidas quaisquer ou, até mesmo, de uma UTR qualquer, que é o critério técnico mais aceito [2]. 1.3 OBJETIVOS Objetivo Geral Desenvolver um software para análise de observabilidade em sistemas elétricos de potência Objetivos Específicos Verificar 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 JUSTIFICATIVA Os sistemas de potência modernos representam os maiores e mais complexos sistemas já construídos pelo homem, o que exige técnicas computacionais cada vez mais avançadas e precisas para construir, manter e operar esses sistemas (STEVENSON, 1994). Um sistema elétrico de potência tem como finalidade suprir as exigências dos seus consumidores, e para alcançar esse objetivo é indispensável continuidade,

12 11 qualidade e economia no fornecimento da energia elétrica. Desta maneira, uma das metodologias utilizadas para realizar essa operação e controle é o processo de Estimação de Estado, no qual se determina as variáveis de estado do SEP a partir um 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 problemas nos barramentos ou nas linhas de transmissão. Muitas vezes são utilizadas pseudomedidas, baseadas em dados históricos, na tentativa de restaurar o funcionamento do sistema. Todavia, dependendo da complexidade do SEP essas pseudo-medidas não são suficientes para restauração do sistema, sendo necessária uma análise mais profunda do problema. Nesse contexto, pode-se notar o quão importante é desenvolver uma ferramenta capaz de realizar esse controle de medidas, atuar na segurança preventiva, mostrando medidas críticas e ainda restaurar a observabilidade de um sistema de potência. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS A primeira ação a ser realizada é a fundamentação teórica, esta adquirida com a revisão bibliográfica de livros, artigos, dissertações e, eventualmente, consultas na literatura disponibilizada pela biblioteca digital do IEEE. Então, será iniciada a fase de estudos matemáticos, utilizando o software MATLAB para realizar cálculos 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 seus fatores, identificando a dependência linear existente entre as diversas barras do sistema. O fluxograma mostrado na Figura 1 foi elaborado para facilitar o entendimento dos procedimentos seguidos no programa para realizar a análise de observabilidade.

13 12 Figura 1 Fluxograma do Processo. Fonte: Própria. Depois de finalizado o programa, começará a etapa das simulações, as quais serão 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 TRABALHO O trabalho será organizado da seguinte maneira: Capítulo 1 Introdução, contendo a delimitação do tema, problemas e premissas, objetivos geral, objetivos específicos, justificativa e procedimentos metodológicos. Capítulo 2 Embasamento teórico sobre Estimação de Estado em sistemas elétricos de potência, evidenciando conceitos específicos da análise de observabilidade. Capítulo 3 Desenvolvimento do programa para análise de observabilidade. Utilizando o software MATLAB será desenvolvido o algoritmo que verifique se o sistema é observável, além disso, identifique as ilhas observáveis e possíveis medidas críticas. As simulações serão feitas com sistemas-testes de 14 a 30 barras do IEEE.

14 13 Capítulo 4 Apresentação dos resultados das simulações. Serão apresentadas às telas das simulações que mostram se o sistema analisado é observável como um todo ou não. Se existirem ilhas observáveis no sistema essas telas mostrarão as ilhas e as barras que estão contidas nelas, bem como as barras que possuem medidas críticas. Capítulo 5 Conclusão. 1.7 CRONOGRAMA Tabela 1 Cronograma para realização do TCC. Atividades Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Fundamentação Teórica Reuniões Desenvolvimento da Proposta Entrega da Proposta Redação do TCC 1 Embasamento Matemático Desenvolvimento do Algoritmo Implementação do Algoritmo Simulações Redação do TCC 2 Conclusão das Atividades Fonte: Própria. 1.8 REFERÊNCIAS [1] BENEDITO, Raphael A. S.; London Jr., João B.A.; Bretas, Newton G. Análise de Observabilidade em Sistemas Elétricos de Potência: Identificação de Ilhas Observáveis Através de Caminhos de Fatoração Associados à Matriz Jacobiana. XI Simpósio de Especialistas em Planejamento da Operação e Expansão Elétrica

15 14 [2] VIGLIASSI, Marcos Paulo. Projeto de Sistemas de Medição Confiáveis para Efeito de Estimação de Estado Via Algoritmos Evolutivos e Matriz H t Δ Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, [3] BENEDITO, Raphael Augusto de Souza. Avaliação da Qualidade e Redundância das Medidas para Estimação de Estado em Sistemas Elétricos de Potência f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, BRETAS, N.G. (1996). Network Observability: A theory based on triangular factorization and path graph concepts - part I. International conference on Automatic Control, cidade do Porto, Portugal, Setembro. STEVENSON, William D. Jr.; GRAINGER, John J. Power System Analysis. 1 st ed. Singapore: Mc Graw-Hill