SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GSE-04 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais GRUPO VIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS – GSE SISTEMA PARA PREVISÃO DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA UTILIZANDO REDES NEURAIS Ricardo Cunha da Fonte * Carlos Júlio Dupont CEPEL RESUMO O objetivo principal deste trabalho é investigar o emprego de um modelo para previsão de séries temporais, aplicado a séries de elevação de temperatura do enrolamento de transformador de potência imerso em líquido isolante, combinando algumas características dos modelos lineares com as Redes Neurais Artificiais (RNA). A principal motivação desta investigação é a necessidade, por parte dos agentes do Setor Elétrico Brasileiro, mormente as concessionárias encarregadas da geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, de ferramentas que os possibilitem gerenciar melhor seus recursos, visando, no caso específico dos transformadores de potência, à otimização do retorno do investimento feito nestes ativos. PALAVRAS-CHAVE Transformadores. Carregamento. Elevação de temperatura. Previsão de carga. Vida útil de equipamento. 1.0 - INTRODUÇÃO A avaliação dos limites de carregamento em unidades transformadoras vem sendo objeto de estudos e investigações pelas concessionárias brasileiras desde o início da década de 1970. O objetivo básico das avaliações centra-se na otimização do uso das unidades e na conseqüente redução dos custos de investimentos. A maior dificuldade para utilização de modelos de representação térmica de transformadores é a obtenção de parâmetros representativos a serem utilizados na modelagem. Transformadores do mesmo tipo, tensão e potência, submetidos a ciclos de carga o Reinaldo Castro Souza PUC-RIO semelhantes, podem apresentar diferentes envelhecimentos devido às suas características térmicas. A NBR 5416/1997 [1] estabelece parâmetros típicos, aplicáveis a famílias de transformadores de mesma classe de temperatura (55 ou 65°C) e mesmo método de resfriamento (ONAN, ONAF, etc). Embora satisfatório em boa parte das aplicações, o uso desses parâmetros freqüentemente conduz a resultados conservadores quando comparados às reais possibilidades de carregamento dos transformadores, subestimando-se a capacidade de sobrecarga dos mesmos [2]. Fazendo uso da combinação de modelos lineares para análise de séries temporais com redes neurais, propomos a concepção de um modelo que possa realmente prever, no curto prazo, o perfil de temperaturas do enrolamento em função de séries históricas do carregamento e da própria elevação de temperatura do enrolamento, evitando-se a fase de obtenção dos parâmetros térmicos do transformador. De posse deste futuro perfil de elevações de temperaturas do enrolamento, pode-se calcular a perda de vida útil a partir das equações da Teoria de Arrhenius, indicadas na norma. 2.0 - A ABORDAGEM POR SÉRIES TEMPORAIS A metodologia proposta pela ABNT apóia-se em modelos determinísticos baseados em leis físicas que descrevem o comportamento da temperatura em função do tempo. Contudo, sabe-se que nenhum fenômeno é totalmente determinístico e, em muitos problemas, devemos considerar fenômenos dependentes do tempo, nos quais há muitos fatores desconhecidos e para os quais não é possível a construção de modelos que permitam o cálculo exato do comportamento futuro de tais fenômenos. Todavia, * Avenida Um, s/n - CEP 21941-590 - Ilha da Cidade Universitária - Rio de Janeiro - RJ - BRASIL Tel.: (021) 2598-6449 - Fax: (021) 2270-4189 - E-mail: [email protected] 2 é possível a obtenção de um modelo que permita o cálculo da probabilidade de um valor futuro estar situado dentro de limites especificados, sendo tal modelo chamado de modelo estocástico. A obtenção de modelos estocásticos que descrevam o comportamento de uma variável ao longo do tempo, bem como sua utilização na previsão de valores futuros da variável, é um dos objetivos da análise de séries temporais. Pode-se conceituar uma série temporal como qualquer conjunto de observações ordenadas no tempo, e que apresentam dependência serial, ou seja, dependência entre instantes de tempo [3][4]. A variável é observada em pontos discretos ao longo do tempo, usualmente, mas não necessariamente, a intervalos regulares. 2.1 Modelos utilizados Muitos são os modelos normalmente utilizados na análise de séries temporais. Todavia, para o objetivo deste trabalho, foram empregados os seguintes: a) Modelo Ingênuo (“Naïve”): A previsão de Zt+1 (valor da série mo instante t+1) é apenas a última observação Zt. É o método mais simples e servirá apenas como base de comparação para o desempenho dos demais modelos. b) Modelo ARIMA de Box & Jenkins: O método de Box-Jenkins é um dos mais populares para previsão de séries temporais nas áreas de planejamento e economia. O método utiliza um procedimento sistemático para selecionar o modelo apropriado de uma rica família de modelos chamada ARIMA, termo que significa, em inglês, "AutoRegressive Integrated Moving Average", ou seja, autoregressivo, integrado e médias móveis. Os termos autorregressivos correspondem a defasagens da série transformada, e os termos médias móveis ("moving average") referem-se às defasagens dos erros aleatórios. Já o termo "integrado" refere-se ao processo de diferenciar a série original para torná-la estacionária. A metodologia Box-Jenkins envolve um procedimento interativo composto de quatro passos básicos: a identificação do modelo; a estimação dos parâmetros do modelo; o diagnóstico do modelo; e a previsão, utilizando o modelo. Detalhes do método podem ser obtidos nas referências [3] e [4]. c) Modelo Função de Transferência de Box & Jenkins: Os modelos ARIMA podem ser vistos como modelos de séries temporais univariados, no sentido de que utilizam somente a história passada da variável de interesse. Se a série temporal de interesse, digamos Xt, está relacionada a uma ou mais séries temporais, então é possível construir um modelo que use o conteúdo de informações presentes nestas outras séries temporais para ajudar nas previsões de Xt . Estes modelos são chamados de funções de transferência, sendo extensões lógicas dos modelos ARIMA univariados. Detalhes desta metodologia também podem ser obtidos nas referências [3] e [4]. d) Modelo de Regressão Dinâmica: Em uma regressão convencional, uma variável de interesse, chamada de dependente ou endógena, é explicada através de um modelo que inclui uma ou mais variáveis causais, ditas independentes, explicativas ou exógenas. No caso da Regressão Dinâmica, o termo “dinâmico”, relaciona-se à estrutura de defasagem da série temporal e das variáveis causais do modelo. Detalhes desta metodologia podem ser obtidos na referência [5]. 2.2 O modelo proposto A metodologia proposta procura combinar características do método de Função de Transferência de Box & Jenkins com as das Redes Neurais Artificiais de modo a se obter um modelo simples, de fácil implementação computacional, automatizável e suficientemente flexível para se adaptar às modificações tanto do perfil da carga quanto do comportamento térmico do transformador de potência ao longo do tempo. A partir do monitoramento de algumas grandezas de interesse, tais como a potência aparente aos terminais de entrada do transformador, a temperatura do enrolamento e a temperatura ambiente, amostrados periodicamente, são obtidas séries históricas que, após o devido tratamento, servirão como entradas para o modelo de previsão. Levando-se em consideração a grande dificuldade em se obter previsões horárias de temperatura ambiente, já que a maioria dos serviços de meteorologia não fornece previsões de temperatura para cada hora do dia seguinte, informando apenas as previsões das temperaturas máxima e mínima que devem ser alcançadas, sem especificar as horas em que ocorrerão, optamos por adotar como variável independente a ser prevista a elevação de temperatura do enrolamento, obtida pela diferença entre a temperatura absoluta naquele ponto, no instante t, e a temperatura ambiente no mesmo momento. Com isto, limitamo-nos à análise de apenas duas séries: a da potência aparente (variável independente) e a da elevação de temperatura do enrolamento (variável dependente). Obviamente, a previsão da temperatura absoluta do enrolamento pode ser obtida pela soma da previsão da elevação de temperatura naquele ponto com a previsão da temperatura ambiente, ficando esta última a critério do operador, podendo ele até mesmo assumir, conservativamente, que a temperatura ambiente para as próximas horas será igual à máxima prevista pelo serviço de meteorologia. Definidas as variáveis a serem manipuladas, é preciso estabelecer de que forma estas serão apresentadas para efeito de treinamento das RNA’s. Sabe-se que a arquitetura das RNA’s, principalmente em relação ao dimensionamento das camadas de entrada e saída, é preponderantemente determinada pela aplicação. Por outro lado, as técnicas de previsão que não são baseadas em modelos matemáticos, como Redes Neurais Artificiais, apoiam-se na identificação das regularidades empíricas mais marcantes das séries, normalmente camufladas por ruídos. Assim, a filosofia a ser empregada na modelagem deve utilizar métodos de identificação destas regularidades para auxiliar as 3 RNA’s na previsão e, com isso, aumentar a capacidade de generalização das redes. Um método comum e bastante eficiente na identificação das regularidades das séries temporais é o método de "windowing". A idéia básica deste método é utilizar duas janelas Ji e Jo de tamanhos fixos Si e So, respectivamente, e deslocá-las no tempo (Figura 1). Para um dado tamanho de janela, a suposição é de que a seqüência de valores Ji(1),…, Ji(n), esteja de alguma forma relacionada com a seqüência Jo(1),…, Jo(n), tal que esta relação, até então desconhecida, seja definida inteiramente dentro do conjunto de dados utilizado. A utilização deste método no auxílio às RNA’s é feita utilizando os pares de janelas Ji e Jo como vetores de treinamento, onde os dados das janelas Ji formam os vetores de entrada e os dados das janelas Jo formam os vetores alvos correspondentes. Com isto, o número de neurônios da camada de entrada e o número de neurônios da camada de saída são determinados pelo tamanho das janelas Ji e Jo , respectivamente. Z(t) RN previsão no instante t+1, sucessivamente, de modo a obtermos um conjunto de previsões para os próximos n passos-a-frente. Esta mesma metodologia é também empregada nos modelos Box & Jenkins (ARIMA e Função de Transferência). Quando este procedimento seqüencial é aplicado em modelos Box & Jenkins, as previsões convergem para a média do processo. Quando aplicado em redes neurais, contudo, as previsões podem vir a formar uma série caótica [7]. Objetivando contornar os inconvenientes causados pelo procedimento “multi-step”, optamos pelo “singlestep”, implicando um único neurônio na camada de saída, sendo que, para permitir a previsão de um conjunto de valores de elevação de temperatura até n passos-a-frente, serão utilizados na entrada da RNA valores correspondentes a “perfis típicos diários” de carga e de elevação de temperatura, funcionando como regressores para a variável a ser prevista. A Figura 2 ilustra o procedimento proposto, onde se verifica que a previsão Z(1) na saída da RNA é obtida inteiramente a partir de dados de entrada provenientes das séries históricas de potência aparente e elevação de temperatura, enquanto que a saída prevista Z(2) resulta da combinação de valores históricos com dados retirados de perfis típicos de potência aparente e elevação de temperatura, assumidos a partir do instante de origem das previsões, evitando-se, desta forma, a necessidade de realimentação da entrada da RNA com valores por ela previstos. Jo Ji t Potência aparente Perfis típicos FIGURA 1 – TÉCNICA DE “WINDOWING” 2.2.1 Dimensionamento da camada de entrada da RNA Em nosso caso, ao combinar o método de Função de Transferência de Box & Jenkins com o das Redes Neurais Artificiais, a técnica do “windowing” envolverá, na janela de entrada, valores selecionados tanto da variável dependente quanto da independente. Visando otimizar o dimensionamento deste vetor de entrada, serão escolhidos valores que guardem forte relação com o valor da variável dependente apresentado na saída, a partir das funções estimadas de autocorrelação e de correlação cruzada. A primeira, como já visto, permite identificar lags da variável dependente que apresentem forte correlação com o valor presente desta. Já a segunda, após o “prébranqueamento” das séries das variáveis dependente e independente, facilita a identificação de lags da variável independente que apresentem forte correlação com o valor presente da variável dependente. Assim procedendo, estabelecemos um critério objetivo para o dimensionamento da camada de entrada da RNA. 2.2.2 Dimensionamento da camada de saída da RNA Os procedimentos de previsão utilizando Redes Neurais Artificiais podem ser divididos em “multi-step” e “single-step”. No primeiro caso, o valor previsto pela RNA no instante t é utilizado como entrada para a Elevação de temperatura Z(2) Elevação de temperatura Z(1) Dados históricos Valores previstos de elevação de temperatura Previsões Origem das previsões FIGURA 2 – PROCEDIMENTO DE PREVISÃO UTILIZANDO PERFIS TÍPICOS DIÁRIOS Os perfis típicos podem ser obtidos a partir de um tratamento adequado das séries históricas. No presente trabalho, adotamos como perfil típico a média das últimas três ocorrências, ou seja, o perfil típico de uma segunda-feira, dia útil, é o resultado da média das três últimas segundas-feiras úteis; o perfil típico de uma terça-feira, dia útil, é o resultado da média das três últimas terças-feiras úteis e assim por diante até sexta-feira. O mesmo procedimento é aplicado aos sábados e aos domingos, sendo que os feriados são considerados como tendo o mesmo perfil dos 4 domingos. Disto resultam sete perfis típicos: cinco para dias úteis, um para os sábados e um para os domingos e feriados. Obviamente poderíamos refinar o processo, adotando, por exemplo, perfis típicos para dias “enforcados” (situados entre feriados e fins-de-semana), dias considerados como “ponto facultativo” (feriado apenas para algumas categorias de trabalhadores), dias de eventos especiais (com programas de TV não periódicos mas de elevada audiência), etc. No entanto, consideramos que a classificação adotada reflete as características mais evidentes e recorrentes observadas nas séries em estudo. Um panorama completo da metodologia de previsão proposta pode ser visto na Figura 3 (última página). 3.0 - RESULTADOS OBTIDOS O modelo proposto foi empregado, no estudo do comportamento térmico de um banco de transformadores de 150 MVA, formado por três unidades monofásicas de 50 MVA cada, da subestação de Guamá, pertencente à Eletronorte. O equipamento foi monitorado por um sistema de aquisição de dados no período compreendido entre novembro de 1999 a julho de 2000, com registros aquisitados a cada cinco minutos, gerando uma base de dados que incluiu as seguintes informações: temperatura ambiente medida no entorno do transformador (em °C); temperatura absoluta do topo do óleo do transformador (em °C); temperatura absoluta do enrolamento (em °C); potência ativa aos terminais do transformador (em MW); potência reativa aos terminais do transformador (em MVAr); intensidade de corrente no enrolamento de alta tensão (em A); tensão fase-fase nos terminais de alta tensão (em kV); data e hora de cada registro efetuado. A base de dados consistiu de nove arquivos ASCII, sendo um para cada mês do período de monitoramento. Como os registros apresentavam muitas lacunas, “spikes” (valor pontual extremamente alto ou extremamente baixo sem razão aparente) ou valores “congelados” por longos períodos, somente pudemos utilizar, com segurança, os registros o referentes ao intervalo compreendido entre 1 de abril e 7 de maio e todo o mês de julho de 2000. Como o objetivo de nosso estudo era a previsão da elevação de temperatura do enrolamento, partindo da análise desta série e da série de potência aparente, grandezas estas não diretamente registradas pelo sistema de aquisição de dados, obtivemo-las através de cálculos. Como critério para dimensionamento da camada de entrada, decidimos utilizar [8][9]: • a função de autocorrelação (FAC) - para determinação dos lags (defasagens) da série de elevações de temperatura do enrolamento que guardem as maiores correlações com o valor atual; • a função correlação cruzada (FCC) - para determinação dos l a g s da série de potência aparente (após pré-branqueamento) que guardem as maiores correlações com o valor atual de elevação de temperatura do enrolamento. Foram escolhidos os l a g s cujos valores dos estimadores de autocorrelação ou correlação cruzada fossem significativamente diferentes de zero (normalmente, maiores que duas vezes o erro padrão da estimativa). Desta forma, foram selecionados os lags de 1, 2 ,3, 4 e 24 para a elevação de temperatura do enrolamento e os lags 0, 1, 7 e 9 para a potência aparente. Estes valores foram utilizados para alimentar uma Rede Neural "feed forward" multicamada, com 9 neurônios na camada de entrada, 15 na camada escondida e 1 neurônio na camada de saída, treinada de forma supervisionada, utilizando o algoritmo "back propagation" [6]. Segue-se a comparação entre o modelo de previsão por Redes Neurais, tal como aqui propomos e os demais modelos lineares: ingênuo, ARIMA, função de transferência e regressão dinâmica. Seguindo os procedimentos próprios de cada modelagem, trabalhamos sobre os dados correspondentes ao período de 01/abril a 07/maio/2000, sendo os registros dos primeiros 30 dias utilizados para ajuste dos modelos lineares e treinamento da Rede Neural 9x15x1 (com 23 dias para treino e 7 para validação). As previsões foram feitas para períodos de 24 horas, para os sete dias da semana compreendida entre 01 e 07/maio/2000, começando em uma segunda-feira que o era feriado (1 de maio). Para aqueles modelos que necessitam de variáveis explicativas (no caso, a potência aparente), como o de função de transferência, o de regressão dinâmica e o de Redes Neurais, foram utilizados, na fase de previsão, os perfis típicos de potência aparente adequados para cada dia do período de previsão. Em relação ao modelo por RNA, também foram utilizados perfis típicos de elevação de temperatura para auxílio à previsão, conforme explicado na Seção 2.2.2. Os resultados obtidos estão resumidos na Tabela 1. 4.0 - CONCLUSÃO O objetivo principal deste trabalho foi investigar o emprego de um modelo para previsão de séries temporais, aplicado a séries de elevação de temperatura do enrolamento de transformador de potência imerso em líquido isolante, combinando modelos lineares e Redes Neurais Artificiais. Os resultados obtidos no estudo de caso realizado foram animadores, comprovando o efeito sinérgico obtido com a combinação de modelos lineares com Redes Neurais. A utilização das funções estimadas de autocorrelação e de correlação cruzada das séries das variáveis dependente e independente, como critério para dimensionamento da camada de entrada da RNA, minimizam o caráter empírico da escolha da topologia da rede, otimizam a dimensão do vetor de entradas e maximizam a vantagem global, já que combinam a parcimônia do modelo linear com a inerente capacidade da RNA em lidar com complexas relações não-lineares. Também, o uso de perfis típicos de carga e de elevação de temperatura do enrolamento como previsões iniciais a serem utilizadas no modelo, visando reduzir ou eliminar o problema da perda de precisão crescente em decorrência da realimentação dos valores previstos no procedimento “multi-step”, oferece boas possibilidades. 5 TABELA 1 – Comparação dos erros médios absolutos percentuais (MAPE) obtidos com a aplicação dos métodos de previsão ao caso da Eletronorte Modelo de previsão Dia Modelo Função de Regressão ARIMA Redes Neurais ingênuo transferência dinâmica a 2 -feira 01/05 17,72 10,11 5,78 8,75 3,77 (feriado) a 02/05 3 -feira 6,64 8,60 6,24 6,62 5,68 a 03/05 4 -feira 4,01 10,18 7,31 8,31 5,94 a 04/05 5 -feira 5,34 6,73 6,73 5,81 5,33 a 05/05 6 -feira 7,03 7,05 6,18 5,48 7,12 06/05 sábado 10,34 7,47 9,99 5,58 6,49 07/05 domingo 5,68 7,11 4,16 3,65 4,29 Média global 8,11 8,18 6,63 6,31 5,52 OBS: O erro médio absoluto percentual (MAPE) é dado por Todavia, apesar dos bons resultados apresentados, o método proposto ainda traz algumas deficiências, sejam elas resultantes de hipóteses simplificadoras quanto ao modelo térmico do transformador, ou do comportamento específico da carga tal como vista pelo equipamento. Assim, trabalhos futuros deverão ser conduzidos no sentido de : 1. Incorporar ao modelo variáveis explicativas adicionais que podem ter influência na elevação de temperatura do enrolamento do transformador como a presença de harmônicos, o nível de insolação, a duração e a intensidade de chuvas, a velocidade e a constância de ventos. 2. Introduzir variáveis de intervenção para que o modelo seja sensível à presença de sistemas de resfriamento com ventilação e/ou circulação de óleo forçadas, bem como às mudanças bruscas de carga ocasionadas tanto pela perda parcial desta quanto por sobrecarga. 3. Aprimorar os processos de seleção, classificação e aplicação de perfis típicos diários, partindo-se de um horizonte histórico mais amplo e lançando-se mão de recursos de inteligência artificial, como RNA’s treinadas sem supervisão, especificamente voltadas à tarefa de classificação (“clusterização”) desses perfis, e sistemas especializados baseados em Lógica Nebulosa, para aplicação dos perfis já classificados. 5.0 - RECONHECIMENTOS Este trabalho é resultante da Dissertação de Mestrado do primeiro autor [9], no Curso de Mestrado para Profissionais patrocinado pelo PRODESPO, sob coordenação da ELETROBRÁS. 6.0 - AGRADECIMENTOS Agradecemos à Eletronorte pela disponibilização de dados de campo referentes ao banco de transformadores citado no texto. MAPE = 100¥ ˆ 1 N Zt - Zt  N t=1 Z t 7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS Norma. Aplicação de Carga em Transformadores de Potência – Procedimento NBR 5416/1997. Brasil (2) DUPONT, C.J.; CHAVES, J.A.M. Metodologia para Avaliação das Condições Admissíveis de Sobrecarregamento e da Perda de Vida Útil de Transformadores. SNPTEE, 1999. Brasil (3) BOX, G.E.P.; JENKINS, G.M.; REINSEL, G.C. Time Series Analysis, Forecasting & Control. Ed. a Prentice-Hall, 3 ed., 1976. (4) MONTGOMERY, D.C.; JOHNSON, L.A.; GARDINER, J.S. Forecasting & Time Series a Analysis. Ed. McGraw-Hill, 2 ed., 1990. (5) STELLWAGEN, E.A.; GOODRICH, R.L. Forecast a Pro for Windows Manual. Ed. BFS Inc., 1 ed., 1994. (6) HAYKIN, S. Redes Neurais, Princípios e Prática. a Ed. Bookman, 2 ed., 2001. (7) HIPPERT, H.S.; PEDREIRA, C.E.; SOUZA, R.C. Um Previsor de Temperaturas Horárias Baseado em Redes Neurais e Modelos ARIMA. Anais do XXXI SBPO - Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional, Juiz de Fora, 20-22 Outubro/1999. (8) KADOWAKI, M.; SOARES, S.; ANDRADE, M.G. Previsão de Vazões Mensais Utilizando Redes Neurais Multicamadas com Algoritmo Backpropagation, IV Simpósio Brasileiro de Redes Neurais, (1997). (9) FONTE, R.C. Sistema para Previsão de Elevação de Temperatura em Transformadores de Potência Combinando Modelos Lineares e Redes Neurais. Dissertação de Mestrado. Rio de Janeiro, 2002. Departamento de Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. 6 Séries obtidas através de sistema de aquisição de dados Definição do número de neurônios na camada de entrada da RN Funções de autocorrelação e de correlação cruzada Série de carga Série de elevação de temperatura Banco de dados de padrões de perfis de carga e de elevação de temperatura Seg Ter Qua Qui Computador Sex Utilizados para Sab estabelecer uma projeção inicial das variáveis dependente e independente Transformador de potência Previsão de 24 horas para a elevação de temperatura do transformador Rede Neural treinada para reproduzir as características térmicas do transformador FIGURA 3 – VISÃO GERAL DA METODOLOGIA PROPOSTA Dom / Fer