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PROPOSIÇÃO DE UM CONTROLE HIERÁRQUICO DE TENSÃO NA ÁREA RIOBASEADO EM LÓGICA FUZZY

Alessandro B. Marques Glauco N. Taranto Djalma M. Falcão

Petrobras Universidade Federal do Rio de Janeiro

FURNAS(até 2001) COPPE

2

Trabalhos Anteriores

XVI SNPTEE - Campinas, Outubro 2001 A.B. Marques, G.N. Taranto e D. M. Falcão, “Controle

Coordenado de Tensão na Área Rio Utilizando Lógica Fuzzy.”Esse artigo recebeu o prêmio de primeiro lugar geral do congresso.

IEEE Transactions on Power Systems A.B. Marques, G.N. Taranto, and D. M. Falcão, “A Knowledge-

Based System for Supervision and Control of Regional Voltage Profile and Security,” May 2005.

TF 38.02.23 CIGRÉ Report Draft

TF 38.02.20 CIGRÉ Final Report (2nd Draft)

3

Controle Coordenado de Tensão

Melhor utilização dos recursos de controle e segurança de tensão/potência reativa numa área do sistema

Usualmente implementado em três níveis hierárquicos:

Controle Primário de Tensão (CPT): RAT, JVC, LTC, etc.

Controle Secundário de Tensão (CST): controla a tensão na barra piloto

Controle Terciário de Tensão (CTT): determina perfil otímo de tensão no sistema (FPO).

4

Controle Coordenado de Tensão

Estrutura

CTT: 10 a 15 min

CST: poucos minutos

CPT: segundos

Já implementado

França

Itália

Bélgica

RAT

JVC

CST

SCADA

Vrbb

Efd

Vt

Vp

Barra Piloto

Vp

ótimo

Constantes de Tempo

Resto do SistemaRAT

Efd

CTT

Vrba

CPT

Vt

bb ba

5

Motivação para o uso da Lógica Fuzzy

Características da Interação Q-V

Altamente não-linear

Elementos discretos

Esquema de Controle Personalizado

Redes radiais/malhadas

Linhas curtas/longas

Disponibilidade de suporte de reativos na área

6

Vantagens da Utilização de Lógica Fuzzy

Capacidade de Incorporar o Raciocínio Humano

Independência de Modelos

Matemáticos

Possibilidade de Utilizar Múltiplas

Variáveis

7

Sistemas Baseados no Conhecimento

A maioria dos sistemas baseado no conhecimentousa regras do tipo

Se <condição>, Então <ação ou conclusão>

Incertezas podem existir nas regras Incertezas lingüísticas (alto, baixo, normal, etc.)

Incerteza evidencial ( relações incertas)

Incertezas lingüísticas podem ser eficientemente tratadas por Lógica Fuzzy(Variáveis Linguísticas)

Exemplo: 1.0

Very-HighHighNormalVery-Low Low

Voltage (pu)

(V )

0

0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15

8

Sistema de Inferência Fuzzy

Regras

Motor de Inferência

Fuzzificador Defuzzificador

x

Saída

Real

y = f(x)

Entrada

Fuzzy

Saída

Fuzzy

Entrada

Real

Se x é A então y é BAntecedente Consequente

9

Área Rio

Variáveis de Controle

Variáveis Controladas

Área importante do sistema com pico de carga de 6000 MW

Equivalente do sistema sul/sudeste Brasileiro (1991)

730 barras, 1146 LT´s e 104 geradores e síncronos

Longos troncos de transmissão (750 Km)

Transmissão: Furnas

Distribuição: Light, Cerj, Escelsa

SC

Valadares

Mascarenhas

Vitória

Campos

Adrianópolis

500 345 kV

Marimbondo V. Grande

L.C.Barreto

Furnas

Aparecida

N. Peçanha

Santa CruzRIO AREA

Jacarepaguá

Grajaú

V. Redonda

Funil

Angra

C. Paulista

Itutinga

Tijuco Preto

CampinasPoços deCaldas

Araraquara

138 kV

138 kV

230 kV

230 kV

345 kV

500 kV

138 kV

F1

F2

F3

F4

138 kV

500 kV

345 kV500 kV

345 kV Corridor500 kV Corridor

about750 km (470 miles)

to Itaipu

to Jaguara

10

IntegraçãoSIF-Sistema Elétrico

Sistema

Elétrico

SIFMarimbondo (kV)

Furnas (kV)

S. Cruz (kV)

Angra (kV)

Adriano (kV)

Jacare (kV)

Grajau (Mvar)

Chaveamento Cap./Rea.

11

Variável Lingüística

Tensão de Jacarepaguá_138kV

kV

12

Visão Geral

Estrutura Hierárquica

Nível Supervisório SIF Contínuo: Tensão de

referência do barramento de alta

SIF Discreto: Chaveamento de capacitores/reatores

Nível de defesa: monitora limites de tensão nos corredores de transmissão e limites das unidades geradoras

Nível Local AVRs

JVCs

SIF

Contínuo

SIF

Discreto

Sistema de

Potência

JVC/

AVR

Nível de

Defesa

SCADA

canais dedicados

Nível

Supervisório

(task-oriented control)

Nível Local(set-point control)

13

Objetivos do Controle

Minimizar o número de chaveamentos de bancos de capacitores/reactores

Maximizar (minimizar) o “line charging” das linhas de transmissão em condições de carga pesada (leve)

Manter as tensões das barras controladas o mais constante possível, evitando as variações causadas pelo chaveamento de elementos discretos

14

Objetivos do Controle(cont.)

Controle do perfil de tensão

“Manter as tensões de Jacarepaguá e Adrianópolis em torno dos valores desejados, estabelecidos pelas instruções de operação”

Segurança

“Manter a geração de potência reativa dos síncronos de Grajau entre zero –100 Mvar”

15

SIF Contínuo (SIF-C)

Dois SIF´s usados para diferentes condições de carga

Qualitativamente ambos usam as mesmas regras

As tensões desejadas podem ser diferentes

Se necessário, podem ser estabelecidas regras diferentes

A escolha do SIF a ser usado, é baseada na carga, no período do dia, etc...

SIF para

carga

Pesada / Média

SIF para

carga

Leve / Mínima

SCADA

Regras de Operação

RegraENTRADAS SAÍDAS

Adria Jacar Graja Mari Furn S.Cru Angr

1 BO BO BO MA MA MA MA

2 BA BA CA AU AU AU AU

3 BO AL PC MA DP DI MA

4 BO AL IN MA MA DI DP

5 PB BA PC AU AU AU AP

BO – BOA

BA – BAIXA

PB – POUCO BAIXA

AL – ALTA

CA – CAPACITIVO

PC – POUCO CAPACITIVO

IN – INDUTIVO

PI – POUCO INDUTIVO

MA – MANTER

AU – AUMENTAR

AP – AUMENTAR POUCO

DI – DIMINUIR

DP – DIMINUIR POUCO

17

Superfície de Controle

Característica não-linear das regras de controle

18

SIF Discreto (SIF-D)

Primeiro subnível: recebe informação do nível de supervisão e as entradas são as mesmas do SIFC. A saída sugere o montante de equipamentos shunt que deve ser chaveado em cada estação (aumentar pouco, aumentar muito, etc).

Segundo subnível: decide qual equipamento, capacitor/reator, deve ser chaveado em cada subestação.

Terceiro subnível: estabelece um único equipamento, entre as saídas do segundo subnível, que deve ser chaveado ligado/desl.

Nível

Deliberativo

Substation

#1

Substation

#n

Substation

#1

Substation

#n

subnível 1

subnível 2

subnível 3

SCADA

19

Regras SIF-D

As regras do SIFD são específicas para cada subnível e subestação

Exemplo do primeiro subnível (subestação de Jacarepaguá)

Se <tensão é baixa e Adrianópolis_tensão é não tão baixa e Grajau_CS é pouco capacitivo>, Então <aumentar tensão com shunt >

Exemplo do segundo subnível (subestação de Jacarepaguá)

Se <chaveamento é aumentar tensão com shunt e número de reatores ligados é zero>, Então <ligar capacitor grande>

20

Características da Simulação

Usina Santa Cruz desligada

Variação de carga e desligamento de circuito

Elementos disponíveis para chaveamento

Passo de simulação de 5s

SIF com ciclo de atuação de 40 s

0 2000 4000 6000 s

Desligamento de um circuito da LT 500 kV Angra-Adrianopolis 300s

Carga (MW)

6000

3000

Banks Available In operation

Capacitors in

Jacarepagua

2 (100 Mvar) 1

Reactors in

Jacarepagua

3 (30 Mvar) 0

Capacitors in

Adrianopolis

3 smalls (10 Mvar)

2 medians (40 Mvar)

2 larges (160 Mvar)

3

2

0

Reactors in

Adrianopolis

2 smalls (50 Mvar)

1 large (150 Mvar)

0

0

21

Ferramenta de Simulação

Programa Fast Simulation (FastSim++) desenvolvido pela COPPE/ Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil

Representa somente as dinâmicas de médio e longo termo, como:

LTC´s ;

Controle Secundário de Tensão;

Curva de DemandaFIS

Adriano (kV)

Jacare (kV)

Grajau (Mvar)

Marimbondo (kV)

Furnas (kV)

S. Cruz (kV)

Angra (kV)

22

Resultados de Simulação

Event Time (sec)

Switching Event Time (sec)

Switching

1 40 Capacitor bank at Jacarepagua switched on

10 1800 Small reactor bank at Adrianopolis switched on 2 720 Small capacitor bank at

Adrianopolis switched off

11 3960 Small reactor bank at Adrianopolis switched off 3 800 Small capacitor bank at

Adrianopolis switched off

12 4080 Small reactor bank at Adrianopolis switched off 4 840 Small capacitor bank at

Adrianopolis switched off

13 4240 Small capacitor bank at Adrianopolis switched on 5 920 Median capacitor bank

at Adrianopolis switched off

14 4320 Small capacitor bank at Adrianopolis switched on 6 1080 Capacitor bank at

Jacarepagua switched off

15 4400 Small capacitor bank at Adrianopolis switched on 7 1280 Capacitor bank at

Jacarepagua switched off

16 4440 Median capacitor bank at Adrianopolis switched on 8 1440 Median capacitor bank

at Adrianopolis switched off

17 4480 Capacitor bank at Jacarepagua switched on 9 1640 Small reactor bank at

Adrianopolis switched on

18 4640 Median capacitor bank at Adrianopolis switched on

Sequência de chaveamentos de elementos discretos

23

Tensão de Marimbondo 500 kV

Tensão inicial acima do limite superior

Tensão baixa nas barras de cargas

Situação antagônica

Nível de supervisão aciona SIFD que liga capacitor

Aos 700s, tensão terminal alcança o limite inferior (não mostrado).

SIFD atua desligando capacitor

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000490

500

510

520

530

540

550

560

570

580Marimbondo 500 kV

Time(sec)

Vo

lta

ge

(kV

)

Upper Limit

Lower Limit

24

Tensão de Angra 500 kV

Comportamento similar a Marimbondo

Aos 1800s, atuação do limite de absorção de reativos (não mostrado)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000490

500

510

520

530

540

550

560

570

580Angra 500 kV

Time(sec)

Vo

lta

ge

(kV

)

Upper Limit

Lower Limit

25

Tensão de Jacarepaguá 138 kV

Tensão inicial baixa

As setas indicam o tempo dos chaveamentos

Aos 40s, ligado o banco de capacitores de Jacarepaguá 100 MVAR

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000120

125

130

135

140

145

150Jacarepaguá 138 kV

Time(sec)

Vo

lta

ge

(kV

)

Upper Limit

Lower Limit

jp-c-on

ad-mc-off

jp-c-off

ad-sr-off jp-c-on

26

Tensão de Adrianópolis 138 kV

Tensão inicial baixa

Faixa de tensão desejada em carga pesada: entre 143 e 145 kV

Comportamento similar a Jacarepaguá

Cabe notar a suavidade entre 3000 e 4000 seg quando a rampa é positiva

Prioridade dada aos controles contínuos

Aos 4000s, Marimbondo atinge o limite superior

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000120

125

130

135

140

145

150Adrianópolis 138 kV

Time(sec)

Vo

lta

ge

(kV

)

Upper Limit

Lower Limit

jp-c-on jp-c-off

ad-mc-off

27

Geração dos CS de Grajaú

Permanece a maioria do tempo dentro da faixa desejada [ -100 ; 0 Mvar]

Resposta rápida aos 300s, quando ocorre perda de um circuito da LT 500 kV Adrianópolis / Cachoeira Paulista.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500Grajaú SC Mvar

Time(sec)

Rea

ctive

Po

we

r

Upper Limit

Lower Limit

28

Análise de Segurança(Subproduto Imediato)

SIF

Tempo Real

Dados de

Tempo Real SIF

Análise de

Segurança

Previsão

de Carga

Situação

Atual

Dados de

Simulação

Situação

Futura

29

Conclusões

Resultados obtidos na Área Rio, indicam que um controle de tensão baseado em regras, provenientes da experiência dos operadores e das instruções de operação é satisfatório.

Pode ser usado como uma ferramenta de suporte de decisão, para auxiliar os operadores ou como ferramenta de controle automático

30

Trabalhos Futuros

Inserção dos TAP´s de influência na área na hierarquia de controle.

Desenvolvimento de uma Rede Neural para aprendizado, dadas as possíveis mudanças significativas na topologia do sistema, principalmente em fins de semana (Sistema Neuro-Fuzzy).

31

Perguntas para Motivar

Resposta:A redundância é necessária somente para os pontos supervisionados, entretanto

essa redundância, em geral, já está disponível. Por exemplo, no caso de Furnas,

no qual esse trabalho foi baseado, há medições nas variáveis supervisionadas tanto

pelo SCADA quanto por canais dedicados de telemedição analógica.

A integração com o estimador de estado é possível quando da utilização do sistema

fuzzy como ferramenta de auxílio à decisão. No caso da utilização do sistema fuzzy

de forma automática, ou seja, sem a interferência do operador, a integração com o

estimador se torna mais difícil, pois o período de execução dos atuais estimadores

é longo se comparado com o ciclo de atuação previsto para o sistema fuzzy.

Pergunta 1:

No capítulo “Implementação Prática” é recomendada pelo

menos uma redundância para as medidas. Este requisito

não onera o projeto? Qual a experiência com a integração

com um estimador de estado?

32

Perguntas para Motivar (cont.)

Resposta:Estima-se que uma equipe de três engenheiros (um com experiência da operação,

um especialista em desenvolvimento de sistemas fuzzy e um com experiência de

integração de software no EMS) e dois programadores levariam um ano para

desenvolver e implantar o sistema fuzzy num centro de controle.

Com relação à infra-estutura física (SCADA, sistema de transmissão de dados, etc)

dependerá de uma avaliação prévia da estrutura já existente na empresa.

Pergunta 2:

Qual a experiência existente com o dimensionamento de

recursos (infra-estrutura/n de pessoas/...) e prazos

necessários para implantação de um controle baseado

em lógica fuzzy?

33

Perguntas para Motivar (cont.)

Resposta:Não é de nosso conhecimento a existência de um sistema de lógica fuzzy

em operação comercial. Sabemos apenas que a Bonneville Power

Administration (BPA), Oregon, EUA, realizou recentemente estudos de

viabilidade de um sistema semelhante (Referência 9 do artigo).

Pergunta 3:

Já existe um sistema de controle de tensão baseado em

lógica fuzzy em operação comercial ?. Qual a experiência

relatada com este recurso?

34

Perguntas para Motivar (cont.)

Resposta:Conceitualmente sim, porém as regras deverão ser modificadas com

base nas novas influências dos equipamentos de São José na Área Rio

e a influência das usinas na tensão de São José, uma vez considerando

a tensão de São José como variável controlada.

Pergunta 4:

O sistema estudado no artigo é um caso de 1991, onde

ainda não havia a subestação de São José. O sistema

fuzzy desenvolvido poderia ser utilizado para a situação

atual do sistema?

35

Perguntas para Motivar (cont.)

Resposta:

Apesar de muitas usinas não utilizarem um controle automático da barra

de alta, através do JVC, muitas dessas tem suas barras de alta controladas

manualmente pelo operador da usina. O Sistema de Inferência Fuzzy (SIF)

foi projetado de forma a reproduzir o quão fiel possível o modus operandi de

controle de tensão usado na Área Rio.

Pergunta 5 (REP do XVI SNPTEE):Embora o controle automático de tensão nas barras de alta das

usinas seja recomendada por especialistas internacionais, esta

prática ainda não é adotada no Brasil. Os autores testaram a

eficiência do Controle Coordenado de Tensão para o mesmo caso e

nas mesmas condições adotadas na regulação de tensão usual das

usinas brasileiras?

36

Perguntas para Motivar (cont.)

Resposta:

As capacidades dos geradores foram consideradas, pois essas são

fundamentais para o tipo de análise proposto.

Pergunta 6 (REP do XVI SNPTEE):No caso estudado foi verificada possíveis violações da capacidade

das máquinas?