COMPANHIA HIDRO ELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO CHESF

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1 GOP/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil Grupo IX EXPERIÊNCIA DA CHESF NA IMPLANTAÇÃO DE UM SIMULADOR NOS CENTROS DE OPERAÇÃO Antônio Sérgio de Araújo* - Adailton José Pedrosa - Ridelson Francisco da Silva COMPANHIA HIDRO ELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO CHESF RESUMO Apresenta-se os conceitos básicos do universo da simulação e as principais características de um poderoso software de simulação: PowerWorld, desenvolvido na universidade de Illinois. Caracteriza-se a necessidade do uso de simuladores para treinar, apoiar e reciclar, de maneira mais produtiva a Operação de Sistema com redução de custos em treinamento. Associase as características desse software com a experiência da CHESF utilizando outros simuladores de fluxo de potência e a compatibilização entre si, estruturando este trabalho. PALAVRAS CHAVE Simulador de Fluxo de Carga, Treinamento Operadores Sistema, Operação de Sistema, Custo Treinamento, Normatização. 1.0 INTRODUÇÃO A reestruturação do Setor Elétrico Brasileiro alterou de forma significativa os papéis e responsabilidades daqueles que atuam na Operação do Sistema. Essas mudanças, aliadas ao aumento crescente da complexidade operacional do Sistema Elétrico Brasileiro, associada a uma significativa renovação do quadro de pessoal, da nossa empresa, evidenciou a necessidade de se institucionalizar uma ferramenta poderosa com propósito de capacitar a Operação de Sistema. Com esta visão, a CHESF decidiu implantar o uso de simuladores para apoiar, treinar e reciclar, os Operadores de Sistema de maneira que estes viessem atingir um padrão desejado de conhecimento e desempenho do sistema que eles operam, e tornando também o aprendizado mais rápido e eficiente em um curto espaço de tempo, pois o aprendizado baseado apenas na experiência ao longo do tempo tornase inviável face desafios constantes que hoje nossa empresa enfrenta. Esse projeto foi denominado de criação de um simulador para treinar Operadores de Sistema. O interesse crescente neste projeto foi influenciado por vários fatores: Fornecimento de energia elétrica com maior segurança e qualidade; A exigência de maior profissionalismo dos Operadores de Sistema associado ao aumento da responsabilidade do agente operador de sistema; Melhor e maior utilização dos recursos disponíveis nos modernos equipamentos de controle supervisório; A necessidade de se operar o sistema cada vez mais próximo dos seus limites; Maior conscientização e exigência dos consumidores e clientes em geral. Os vínculos contratuais mais as responsabilidades legais decorrentes da falta no suprimento de energia elétrica e da indisponibilidade de equipamentos; Estatísticas desfavoráveis de falhas operacionais. Em janeiro de 2000 foi iniciado o desenvolvimento do projeto, tendo sido feita a aquisição do software PowerWorld junto a universidade de Illinois. Começamos a elaborar o nosso trabalho realizando estudos e análises de desempenho do simulador, verificando e comparando os resultados deste com outros simuladores de fluxo de potência obtendo-se resultados além do esperado. Concluímos o desenvolvimento do simulador contendo os sistemas CHESF e ELETRONORTE e o implantamos nos Centros de Operação SIMULADORES Simuladores, hoje, são ferramentas computacionais que tem por objetivo responder a um grupo específico de questões: O que acontece se determinadas condições de operação mudarem? O que acontece a um determinado sistema quando acontecem eventos imprevisíveis? Quanto um fator crítico pode variar até que o sistema gere resultados críticos? Qual a sensibilidade de um fator em relação a mudança de outro fator? *CHESF Rua Delmiro Gouveia, 333, Bongí, sala A325, Recife-PE, Brasil, CEP Tel. (0xx81) Fax (0xx81) asergio@chesf.gov.br

2 2 Respondendo a essas perguntas o simulador gera os seguintes benefícios: Economia de tempo em treinamento, pois o treinamento utilizando apenas a experiência do dia a dia é lento e de difícil controle. Redução de custos em treinamento. Pois os treinamentos são realizados nos locais de trabalho. Facilidade em obtenção de respostas que seriam difíceis de obter no sistema real. O simulador responde perguntas do tipo: e se isso acontecesse como se comportaria o sistema? Maior domínio do funcionamento do sistema que está sendo simulado. Muitas vezes um sistema é tão complexo que se comporta como uma verdadeira "caixa preta". O simulador fornece uma melhor compreensão desse tipo de sistema. Padronização de ações de controle do sistema em situações normais e de emergência. Não depende de desligamentos programados para treinamento, pois estes são inviáveis em função do Contrato de Prestação de Serviços de Transmissão CPST, onde acarreta aumento do custo da Parcela Variável *. (PV= Desconto no valor do contrato referente a indisponibilidade de equipamentos da transmissora ao longo do mês.) Existem fases específicas de desenvolvimento que todo simulador tem de passar, que são: Desenvolvimento da representação matemática do sistema real. Definição da melhor técnica para manipular a representação matemática do sistema. Implementação em um sistema computacional do modelo matemático. Validação dos resultados. Não pode ocorrer omissão de nenhuma dessas fases e necessita de um tipo de habilidade diferente. Desenvolvido o produto e para que este seja bem utilizado, devem ser observados os seguintes requisitos: Instruções objetivas para o usuário com exemplos de dados de entrada e saída Descrição detalhada do modelo, contendo suas limitações e necessidades para um bom funcionamento. A observância desses requisitos associada a um desenvolvimento correto do produto, gera um simulador de alta qualidade, que é o caso do simulador que adquirimos e institucionalizamos na nossa Empresa que é o PowerWorld SIMULADORES E O TREINAMENTO DE OPERADORES DE SISTEMA A cada dia que passa a função de operador de sistema torna-se mais complexa. Cabe a ele analisar as condições do sistema, implementar ações de controle, conhecer e aplicar, com segurança, uma gama enorme de conceitos associados a operação do sistema. Esta realidade do novo modelo do sistema elétrico brasileiro tem levado as empresas do Sistema Interligado a buscar ferramentas que tornem o aprendizado dos conceitos associados a operação do sistema de modo mais rápido e eficiente. Os desafios enfrentados, hoje, pelas empresas não permitem mais o aprendizado baseado na experiência ao longo do tempo. É necessária uma ferramenta para otimizar o treinamento. Simulador é uma destas ferramentas. 4.0 SIMULADOR POWERWORLD É um programa que funciona no ambiente Windows, que além de utilizar todos os recursos fornecidos por essa plataforma ( facilidades gráficas deste ambiente ), possui uma interface gráfica bastante amigável, de fácil compreensão e manuseio. Como simulador o programa atende plenamente aos requisitos apresentados na seção Desempenho O PowerWorld foi desenvolvido para de maneira objetiva, apresentar os conceitos e os interrelacionamentos que envolvem a operação de um sistema elétrico de potência. O simulador apresenta o comportamento de um sistema dentro de um determinado período de tempo, desde minutos até um dia completo. Vários tipos de eventos, discretos e contínuos podem ser simulados, como a variação da carga e da geração, podem ser prescritas programações diárias de intercâmbio de acordo com as variações horárias, a abertura de uma LT, a desenergização de um transformador, etc. O usuário pode interagir com o sistema usando uma série de recursos, incluindo os que a plataforma Windows oferece (janelas, botões, etc.). 4.2 Interface homem-máquina A interface homem-máquina foi concebida para que rapidamente o usuário passe a interagir com os conceitos associados à operação de sistema, ao invés de perder tempo aprendendo como utilizar o simulador. A figura 1 apresenta uma tela típica do PowerWorld, onde pode-se observar um diagrama unifilar com três áreas de controle, linhas de transmissão com seus respectivos disjuntores, barras com carga e bancos de capacitores, geradores e transformadores.

3 3 Associado a cada um desses elementos são apresentadas as grandezas que melhor caracterizam a situação operacional do sistema. Existem ainda mapas que permitem avaliar por exemplo: o carregamento das linhas de transmissão dos níveis de tensão ou carregamento nos barramentos, etc. A implementação orientada permite ao usuário interagir com quase todos objetos da tela. Pode-se: abrir e fechar disjuntores; alterar geração das usinas; conectar e desconectar cargas, bancos de capacitores e reatores; efetuar comutação manual de tapes de transformadores; conectar e desconectar usinas do Controle Automático de Geração - CAG; com um simples "clicar de mouse". Figura 1 Pode-se, ainda, acessar diversas janelas que apresentam dados referente aos equipamentos e outras grandezas associadas a operação de sistema tais como: freqüência do sistema; erro de controle de área; intercâmbio entre áreas. Essas facilidades fornecem ao usuário pleno domínio da simulação garantindo um aprendizado consistente de todos os conceitos da operação. Todos os parâmetros dos elementos do diagrama também podem ser facilmente alterados utilizando recursos de janela, desta forma alterando valores de grandezas elétricas, configuração e características dos equipamentos. Com todas essas facilidades rapidamente o usuário passa a dominar o software e extrair dele todo seu potencial. Durante o processo de implantação nos centros de operação os treinandos aprenderam a utilizar todos estes recursos, ficando para uma Segunda etapa, chamada de reciclagem, o ensino sobre como alterar configurações e características dos equipamentos. 4.3 O Simulador Sistemas de potência são extremamente complexos, com fenômenos associados a diferentes escalas de tempo, desde microsegundos até anos, na área de planejamento. Durante a simulação o seguinte ciclo é observado: Leitura e armazenamento dos dados do caso a ser simulado, parâmetros do sistema, diagramas unifilares, arquivos de script (*) e intervalo de tempo da simulação. (*) arquivos de script são arquivos que podem ser associados a um determinado caso base e contem uma lista de eventos que podem ocorrer durante a simulação, desde alterações na curva de carga até mensagens para o usuário. Após o carregamento dos dados o programa calcula uma solução inicial para o sistema. A partir da solução inicial o simulador ganha dinâmica própria: Alterações na carga ou outras alterações na topologia da rede são efetuadas. As alterações podem estar previamente definidas em arquivos script ou partirem de intervenção do usuário, conforme descrito na seção 4.1.

4 4 Após cada alteração uma nova solução para o sistema é encontrada. A solução é então plotada no diagrama unifilar. O tempo é incrementado na simulação. O processo acima se repete até que se chegue ao fim da simulação. O método usado para encontrar a solução do sistema é o Newton-Raphson. 4.4 Modelos do simulador Todos os elementos do sistema elétrico são modelados com alto grau de detalhamento: linhas de transmissão: além de seus parâmetros físicos incluindo os shunts, tem seus limites de carregamento constantemente avaliados pelo programa ( opção para monitorar até três limites). geradores: devem ser modelados com dados de suas curvas de capabilidade e suas respectivas limitações. transformadores: além de seus parâmetros físicos, tem seus limites de carregamento constantemente avaliados pelo programa ( opção para monitorar até três limites), e pode ter implementado mecanismo para comutação manual ou automática de tape. 4.5 Casos base e o programa Builder Cada simulação tem, no mínimo, dois arquivos, um com as informações referentes aos parâmetros do sistema a ser modelado e outro com as informações referentes aos diagramas unifilares. Os dois arquivos são criados pelo programa Builder, que faz parte do software PowerWorld. Esse programa fornece os modelos dos elementos associados ao sistema elétrico e todos os recursos necessários para o desenho dos diagramas unifilares. Com o programa Builder o usuário pode facilmente criar qualquer tipo de diagrama para atender suas necessidades, inclusive importar figuras PROJETO PILOTO O objetivo principal para aquisição do software PowerWolrd Simulator, foi a implantação no COOS - Centro de Operação de Sistema e CRO s - Centros Regionais de Operação de um simulador de treinamento para Operadores de Sistema. Foi formado um grupo de trabalho composto por técnicos do Centro de Operação do Sistema; do orgão de estudos elétricos; e do orgão de normatização da CHESF para análise e desenvolvimento do softwere PowerWorld sendo definido a montagem de um caso base e modelado do sub-sistema Centro, o Sudoeste da Bahia ( Figura 3) sobre o qual foram feitas as análises e comparações com os resultados realizados com o software Anarede (Sistema de Fluxo de Potência atualmente utilizado pela CHESF) obtendo-se êxito, pois além de preencher todos os requisitos exigidos verificou-se um simulador extremamente agradável. Muitos conceitos difíceis de explicar são facilmente assimilados com o uso do PowerWorld: áreas de controle; operação do controle automático de geração; intercâmbios; controle de tensão;

5 5 fluxo de potência ativa e reativa; Limites operacionais SIMULAÇÃO NO POWERWORLD No processo de treinamento os Operadores de Sistema efetuavam simulações provocando desarmes ou realizando manobras, regulando o sistema conforme normativo verificando o comportamento do sistema simulado e comparando o resultado com as informações do normativo. Estabeleceu-se então que durante o trabalho em turno os Operadores de Sistema podem se autotreinar, atuando em condições simuladas sobre o sistema que controlam no dia à dia. Esse fato permite aos novos Operadores de Sistema, rapidamente, assimilar como se comporta o sistema e todos os complexos conceitos associados a operação. Tanto os novos como os antigos Operadores de Sistema podem constantemente reciclar seus conhecimentos e comparar os resultados da simulação com o sistema real, ganhando segurança quando da implementação de ações de controle do sistema. 6.1 Eventos inesperados nas simulações São formas de treinamento utilizada com simulações de eventos inesperados. O PowerWorld pode fazer simulações involuntárias geradas pelo próprio programa, como se fosse uma contingência em tempo real. Ex: O programa desliga uma LT e informa que LT desarmou e a causa do desarme, bloqueando ou não os disjuntores associados a LT, podendo os tempos entre um desarme e outro ser determinado previamente. O programa também permite que você programe previamente eventos para serem simulados sem que o treinando saiba qual contingência o simulador irá provocar podendo-se inclusive programar o começo e o fim, a duração e o dia da simulação. Esta opção é extremamente útil para explorar tipos específicos de contingências sobre os quais determinado operador de sistema necessita treinar mais. Desta forma o treinando pode ser avaliado ou se auto avaliar de como estão seus conhecimentos técnicos e tempo de resposta diante das contingências Em ambas o treinando não interfere nem sabe o que irá ocorrer no sistema. 7.0 IMPLANTAÇÃO NOS CENTROS DE OPERAÇÃO No sistema CHESF estão compreendidos 6 (seis) Centros de Operação de Sistema, COOS, CROL, CRON, CROS, CROO e CROP. Atualmente o COOS é o responsável pelo uso e manutenção do PowerWorld. Na implantação do referido simulador conduzimos esta etapa de treinamento de forma diferente do programa de treinamento normal dos Centros de Operação, pois um dos critérios foi oportunizar todos os operadores e engenheiros de cada Centro de Operação a serem treinados sobre o manuseio do software. Isto ocorreu em três etapas, onde na primeira foi enfatizado os conceitos básicos do universo da simulação, na segunda foi mostrado os recursos e ferramentas do simulador PowerWolrd e na terceira foi capacitado um grupo para ser mantenedor e responsável pela atualização do PowerWorld no seu Centro de Operação. Estes grupos também desenvolveram um diagrama unifilar no simulador com o subsistema da CHESF associado a sua área de atuação. 7.1 Uso após implantação Verificou-se grande comprometimento dos engenheiros e operadores de Sistema com os resultados, devido a própria característica do simulador, pois com a fidelidade e capacidade de resposta deste, eles passaram inclusive a verificar a veracidade das informações oriundas dos normativos. A simulação passou a ser um dos pré requisitos nas equipes de tempo real e programação para avaliar e autorizar a liberação de equipamentos do sistema para manutenção. Para pós-operação o simulador passou a ser utilizado como ferramenta de verificação do desempenho das manobras realizadas pela operação em tempo real. 8.0 OBJETIVOS DO SIMULADOR PARA OS CENTROS DE OPERAÇÃO Assegurar que o nível de capacitação dos Operadores de Sistema esteja de acordo com o padrão de desempenho desejado; Apoio no estudo dos normativos, inclusive no processo de certificação de operadores; Reciclagem das carências técnicas individuais; Economia de horas em treinamento dentro da filosofia on the job training ; Ferramenta de apoio as equipes de pré e pós operação. 9.0 PERSPECTIVAS FUTURAS Continua sendo desenvolvido pela Universidade de Ilinois o programa PowerWorld. A CHESF fez aquisição da última versão ( 7.0 ). Existem muitos recursos disponíveis no PowerWorld que deverão ser implementados ainda, para no futuro termos um caso base com

6 6 todo sistema interligado norte/nordeste/ sul/sudeste do Brasil. Bastará ao usuário definir que área ele deseja observar em tela e utilizando os recursos do PowerWorld realizar simulações de grande confiabilidade. 10 ESTRATÉGIA ATUAL Após a identificação das carências e dúvidas, observadas durante a implantação e posterior acompanhamento do uso do simulador nos Centros de Operação, adotou-se um plano de ação com os seguintes critérios: Adquirir, desenvolver e implantar nos Centros de Operação a versão mais atual; Realizar debate com pessoal envolvido em cada Centro de Operação, discutindo sobre erros e dúvidas em relação ao manuseio do programa; Implementar melhorias em relação aos critérios e objetivos do uso do simulador; Realizar reciclagem, principalmente sobre os pontos que não alcançaram a meta desejada. 11 CONCLUSÃO A cada dia que passa é necessário aprender mais em menos tempo e os simuladores são a ferramenta mais eficaz para atingir esse objetivo. Foram definidos os objetivos e requisitos de um simulador de fluxo de potência eficiente. Apresentou-se um simulador que além de preencher todos os requisitos é extremamente amigável. O software PowerWorld pode ser considerado, portanto, uma das mais poderosas ferramentas disponíveis para auxiliar o estudo, treinamento e reciclagem dos Operadores de Sistema pois, o seu uso garante: para operar um sistema que a cada dia se torna mais complexo e gera mais desafios. Tornou-se também uma ferramenta de grande poder e valia para o orgão de estudos da CHESF na elaboração de estudos elétricos do sistema em funcionamento assim como quando de ampliação de novas redes, pois além de ser preciso nas resoluções de fluxo de potência, é de fácil implementação de novos equipamentos e oferece respostas instantâneas online sem a necessidade de gerar relatórios para realização de uma simulação, podendo inclusive realizar várias simulações ao mesmo tempo com respostas instantâneas e sequenciadas. 12 BIBLIOGRAFIA [1] T. Overbye, P. Sauer, C. Marzinzik e G. Gross, "A User-Freindly Simulation Program for Teaching Power System Operations," IEEE/PES 1995 Winter Meeting, New York, NY, January [2] William D. Stevenson Jr., Elementos de Análise de Sistemas de Potência, Ed. McGraw-Hill do Brasil, cap. 10 pg [3] Thomas J. Overbye - University of Ilinois at Urbana-Champaign; José H. Sola Fernandez e Robson Luiz Schiefler COPEL, Simulador Amigável para Treinamento de Despachantes. [4] Interative Power System Simulation, Analysis and Visualization, version 6.0, PowerWolrd Corporation September rapidez no aprendizado de conceitos complexos; manipulação de situações cotidianas e de emergência; criação de cenários específicos para treinamento de Operadores de Sistema; ser utilizado como um poderoso auxiliar para validar manobras em tempo real. A fidelidade no confronto dos resultados da simulação com a prática, estimulará os Operadores de Sistema a criarem situações corriqueiras e de emergência para o treinamento. A simulação, ao contrário dos áridos relatórios, que analisam apenas contingências simples, possibilita ao Operador de Sistema criar livremente situações de emergência e, assim como um piloto de avião que simula a aterrisagem de um Boeing na chuva e sem uma turbina, aprender com os resultados gerados e se preparar