1 GAT-008 21 a 26 de Outubro de 2001 Campinas

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GAT-008
21 a 26 de Outubro de 2001
Campinas - São Paulo - Brasil
GRUPO IV
GRUPO DE ESTUDO DE ANÁLISE E TÉCNICAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA - GAT
CONTROLE COORDENADO DE TENSÃO NA ÁREA RIO
UTILIZANDO LÓGICA FUZZY
Alessandro B. Marques
FURNAS e COPPE/UFRJ
Glauco N. Taranto
COPPE/UFRJ
RESUMO
Este artigo apresenta uma ferramenta de auxílio à
decisão de operadores para o controle coordenado de
tensão do sistema de transmissão, baseada em Lógica
Fuzzy. As estratégias de controle são previamente
estabelecidas com a participação dos próprios
operadores e traduzidas por meio de regras de
operação. São apresentadas simulações relativas a uma
situação hipotética de controle coordenado de tensão
na Área Rio, de forma a manter os compensadores
síncronos (CS) de Grajaú com geração em torno de
zero Mvar e as tensões monitoradas próximas aos
valores desejados.
PALAVRAS-CHAVE
Controle Coordenado de Tensão, Simulação Rápida,
Estabilidade de Tensão, Lógica Fuzzy.
1.0 – INTRODUÇÃO
O fenômeno de instabilidade de tensão de médio e
longo prazos em sistemas de energia elétrica tem sido,
ultimamente, objeto de grande interesse por parte das
concessionárias. Uma forma de melhorar o
desempenho do sistema nesse aspecto, é pela
implementação de esquemas de controle coordenado
da geração reativa e perfil de tensão.
Diversos exemplos da busca de um melhor controle
sobre o perfil de tensão e o despacho de potência
reativa nos sistemas de transmissão podem ser
encontrados na literatura técnica [1-6]. A começar
pelos franceses [1-3], que desde a década de 70, vêm
utilizando e aprimorando um sistema automático de
controle coordenado de tensão (CCT) baseado em três
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Djalma M. Falcão
COPPE/UFRJ
níveis hierárquicos, o primário (CPT), o secundário
(CST) e o terciário (CTT), cujas respectivas constantes
de tempo de atuação diferem em aproximadamente
uma ordem de grandeza e cujo raio de ação pode se
extender da ação local à ação regional/nacional.
Na Itália [4-5], o controle coordenado de tensão com
filosofia semelhante à dos franceses, vem sendo
satisfatoriamente utilizado a nível nacional. O controle
coordenado de tensão também vem sendo utilizado na
Bélgica, desde 1998 [6], como uma ferramenta de
suporte à decisão dos operadores. No caso belga,
optou-se pela eliminação do nível hierárquico
secundário do esquema francês original. No Brasil, foi
desenvolvido um projeto que visou avaliar os
benefícios e limitações da aplicação de um esquema de
CST na Área Rio [7].
Na esfera mundial este assunto tem sido alvo de
interesse coletivo, haja vista a recém-formada forçatarefa CIGRE TF38.02.23 [8] e o Panel Session on
Power Plant Secondary (High-Side) Voltage Control,
realizado no IEEE PES Summer Meeting em julho de
2000.
A adoção de estratégias de controle coordenado que
mantenham o perfil de tensão dentro de limites
operativos e as reservas girantes de potência reativa
maximizadas para diversos níveis de carregamento e
configurações de rede, requer uma eficiente
coordenação entre os diversos centros de controle
regionais. Ações de controle em sentidos opostos num
curto espaço de tempo, invariavelmente se traduzem
em manobras desnecessárias, e devem ser evitadas.
Este artigo apresenta uma ferramenta de auxílio à
tomada de decisão dos operadores nos centros
COPPE/UFRJ – Programa de Engenharia Elétrica
C.P. 68504 – Rio de Janeiro, RJ 21945-970
Tel.: (021) 562-8615 Fax: (021) 290-6626
e-mail: [email protected]
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 Fuzzificador: determina o grau de pertinência
de cada entrada no antecedente da regra. Se o
antecedente tem mais de um componente
(proposição), os operadores fuzzy E (min) e
OU (max) são utilizados para combinar os
efeitos.
regionais de controle, para o controle coordenado de
tensão em sistemas de transmissão, baseado em Lógica
Fuzzy.
A propriedade da lógica fuzzy de emular a capacidade
do cérebro humano de raciocinar com informações
incertas ou ambíguas e mesmo assim produzir soluções
adequadas, permite a sua utilização em vários ramos da
engenharia, como por exemplo, no controle
coordenado de tensão no sistema de transmissão. O uso
dessa ferramenta no controle e estabilidade de tensão
em amplas áreas geográficas, está sendo investigado no
sistema da Bonneville Power Administration, na costa
oeste dos Estados Unidos [9].
Resultados de simulações são apresentados ao final do
artigo. A análise é feita na Área Rio, de forma a manter
os CSs de Grajaú com geração em torno de zero Mvar
e as tensões monitoradas próximas dos valores
desejados.
Como ferramenta de simulação é utilizado um
simulador rápido (FastSim) da dinâmica de longo
prazo [10] baseado na formulação proposta em [11]. O
FastSim se baseia na eliminação dos efeitos transitórios
rápidos dos modelos do sistema. Mecanismos de
controle de tensão de atuação rápida, como por
exemplo a regulação primária dos geradores são
representados somente pelo seu ganho de regime
permanente e limites existentes. Sua principal
vantagem vem do fato de produzir a trajetória
aproximada da evolução temporal do sistema,
representando importantes efeitos cronológicos para
análise da estabilidade de tensão de médio e longo
prazos.
2.0 – SISTEMA DE INFERÊNCIA FUZZY
Sistemas de Inferência Fuzzy (SIF) são métodos de
processamento de informações de natureza vaga ou
ambígua, baseados nos conceitos da Teoria dos
Conjuntos e da Lógica Fuzzy [12]. O SIF é baseado em
um conjunto de regras do tipo
Se x é A,
Antecedente
Então y é B
Conseqüente
onde x e y são variáveis numéricas e A e B variáveis
lingüísticas, isto é, variáveis que assumem valores
lingüísticos tais como, ALTA, BAIXA, etc., os quais
são definidos por conjuntos fuzzy e respectivas funções
de pertinência.
A Figura 1 mostra a estrutura geral e os quatro
elementos básicos de um SIF. A descrição dos
elementos básicos é a seguinte:

Base de Regras: coleção de regras do tipo
definido anteriormente.
 Inferência: determina o grau de validade dos
conseqüentes das regras e combina os
resultado no conjunto fuzzy da saída. O
princípio utilizado assume que “regras com
baixo grau de pertinência no antecedente
devem ter pouca validade no conseqüente”.
 Desfuzzificador: produz uma saída não fuzzy
a partir do conjunto fuzzy definido pelo bloco
de inferência.
Saída
Entrada
Basede
x
Fuzzificador
dor
Desfuzzifica
Regras
y=f(x)
Inferência
Entrada
Saída
Fuzzy
Fuzzy
Figura 1 – Sistema de Inferência Fuzzy
Uma vez estabelecidas as regras, um SIF pode ser visto
como um mapeamento não linear, de um conjunto de
variáveis não fuzzy de entradas x em um conjunto de
variáveis não fuzzy de saída y=f(x).
3.0 – APLICAÇÃO DE UM SIF NO CCT
O sistema estudado é um equivalente do sistema SulSudeste Brasileiro contendo 730 barras AC, 1146
linhas de transmissão e transformadores e 104
geradores e compensadores síncronos. A área de
interesse é a Área Rio constituída pelas concessionárias
Light, Cerj, Escelsa e partes do sistema Furnas. A
demanda máxima da área Rio é de aproximadamente
6000 MW, ocorrendo no verão.
A Figura 2, mostra os principais corredores de
transmissão para a Área Rio, assim como os principais
recursos para controle de tensão da área. No corredor
de 500 kV considerou-se as usinas de Marimbondo e
Angra como recursos girantes para controle de tensão,
enquanto que no corredor de 345 kV, considerou-se
apenas a usina de Furnas. As reservas de potência
reativa girante consideradas dentro da Área Rio foram
somente os CSs de Grajaú.
Cabe ressaltar que a topologia do sistema estudado
representa uma configuração do ano de 1987.
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Corredor de 500 kV
Dependendo dos valores medidos das variáveis de
entrada, algumas regras serão ativadas e ponderadas
automaticamente pela lógica fuzzy. Ações de controle
do tipo elevar/reduzir tensões na barra de alta tensão
nas plantas geradoras serão apresentadas ao operador.
Corredor de 345 kV
Marimbondo
V.Grande
345kV
500kV
Araraquara
L.C.Barreto
Poçosde
Campinas
500kV
Caldas
345kV
Aproximadamente
600km
TijucoPreto
Furnas
Na elaboração das regras, foram estabelecidas as
seguintes diretrizes:
C.Paulista
500kV
138kV
F1
Itutinga
F2
Angra
500
345kV
Adrianópolis
F3
Valadares
Campos
138kV
230kV
Aparecida
Funil
V.Redonda
Jacarepaguá
SC
138kV
Vitória
138kV
Grajaú
230kV
Mascarenhas
N.Peçanha
F4
ÁREA RIO
SantaCruz
 Manter as tensões de entrada, isto é, Jacarepaguá e
Adrianópolis, em torno dos valores desejados pelas
concessionárias. Isto corresponde em se assumir
valores elevados (próximos de 1) de pertinência
dessas tensões ao conjunto fuzzy representando o
termo BOA do conjunto de termos das variáveis
lingüísticas associadas a essas tensões. A Figura 4
mostra, como exemplo, o conjunto de Funções de
Pertinência
da
variável
lingüística
Tensão_Jacarepaguá_138kV.
Figura 2 – Principais Corredores de transmissão para
Área Rio
No caso da aplicação do SIF no CCT da Área Rio,
elaboram-se as regras combinando a experiência dos
operadores do sistema elétrico com as existentes
instruções de operação da região a ser controlada. As
regras são inseridas sob a forma de declarações SEENTÃO, baseadas nas influências das usinas
controladoras da tensão da área.
Conforme descrito anteriormente, um SIF é constituído
por variáveis de entrada e saída. Como variáveis de
entrada (variáveis reguladas), foram definidas as
tensões de Adrianópolis 138 kV, Jacarepaguá 138 kV e
a potência reativa do CS de Grajaú. Como variáveis de
saída (variáveis de controle), foram definidas as
variações das tensões nos barramentos de alta tensão
das usinas de Marimbondo, Furnas, Santa Cruz e
Angra. A Figura 3 mostra um diagrama esquemático de
como é feita a integração do SIF com o sistema de
potência. Nesta aplicação o SIF pode ser encarado
como um controlador fuzzy.
SIF
Adriano (kV)
{
Marimbondo (kV)
Jacare (kV)
Furnas (kV)
Grajau (Mvar)
S. Cruz (kV)
Angra (kV)
}
Figura 4 – Funções de Pentinência da Variável
Lingüística Tensão_Jacarepaguá_138kV
 Manter a geração de potência reativa dos
compensadores síncronos de Grajaú entre zero e
100 Mvar indutivos, correspondendo a valores
elevados da função de pertinência do termo BOM
da variável lingüística Geração_Reativos_Grajaú.
Com base na experiência de operação do sistema da
Área Rio e do conhecimento das instruções de
operação da referida área, foram criadas 29 regras de
operação que formam a base de regras. A Tabela 1
apresenta 7 dessas regras. Tomando como exemplo a
Regra 1, ela traduz a seguinte situação: Se a tensão de
Adrianópolis 138kV estiver boa (ver definição na
Figura 4) e a tensão de Jacarepaguá 138kV estiver boa
e a geração de potência reativa dos CSs de Grajaú
estiver boa, Então as tensões nos barramentos de alta
tensão das usinas de Marimbondo, Furnas, Santa Cruz
e Angra devem ser mantidas nos valores em que se
encontram.
ENTRADAS
Regra
SAÍDAS
Adria
Jacar
Graj
Mar
Fur
SCrz
Ang
1
BO
BO
BO
MA
MA
MA
MA
2
BA
BA
CA
AU
AU
AU
AU
Sistema de
Potência
Figura 3 – Diagrama de Integração do SIF com o
Sistema
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Tabela 1 – Regras de Operação