Aplicac¸˜ao de uma Infraestrutura de Comunicac¸˜ao WiMAX
para dar Suporte a Definic¸˜ao da Sequˆencia de Ajustes no
Controle da Magnitude de Tens˜ao de um Sistema de
Transmiss˜ao de Energia El´etrica
Thiago Allisson1, Igor Silva1, Guilherme Lage2, Ricardo Fernandes2, Daniel Barbosa3 1Departamento de Inform´atica e Estat´ıstica – Universidade Federal do Piau´ı (UFPI)
Teresina – PI – Brasil
2Departamento de Engenharia El´etrica – Universidade Federal de S˜ao Carlos (UFSCar)
S˜ao Carlos – SP – Brasil
3Departamento de Engenharia El´etrica – Universidade de Salvador (Unifacs)
Salvador – BA – Brasil
Abstract. The control voltage magnitude is critical to the operation of the elec-tricity transmission system, being applied to maintain the voltage magnitudes within predetermined limits, and employs data traffic technologies to enable interaction between control devices. In this context, this paper proposes an ap-proach that applies a Communication Infrastructure WiMAX (Worldwide Inte-roperability for Microwave Access) to transmit the sequences of adjustments to be performed. The NS-3 tool (Network Simulator) is used to simulate the system IEEE 57 bars (Institute of Electrical and Electronics Engineers) in scenarios with violation of tension. The results show the executed corrections and delay metrics, data volume transmitted and the availability of WiMAX and DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) networks.
Resumo. O controle da magnitude de tens˜ao ´e fundamental para a operac¸˜ao do sistema de transmiss˜ao de energia el´etrica, sendo aplicado `a manutenc¸˜ao das magnitudes de tens˜ao dentro de limites pr´e-determinados, e emprega tec-nologias de tr´afego de dados para viabilizar a interac¸˜ao entre os dispositivos de controle. Nesse contexto, o presente trabalho prop˜oe um abordagem que aplica uma Infraestrutura de Comunicac¸˜ao WiMAX (Worldwide Interoperabi-lity for Microwave Access) para transmitir as sequˆencias de ajustes a serem executadas. A ferramenta NS-3 (Network Simulator) ´e utilizada para simular o sistema de 57 barras do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) em cen´arios com violac¸˜ao de tens˜ao. Os resultados exibem as correc¸˜oes execu-tadas e as m´etricas atraso, volume de dados transmitido e a disponibilidade das redes WiMAX e DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
1. Introduc¸˜ao
Nos sistemas de transmiss˜ao de energia el´etrica, o controle da magnitude de tens˜ao possui papel um fundamental para a sua operac¸˜ao segura [Eremia and Shahidehpour 2013]. Para realizar o controle da magnitude de tens˜ao ´e crucial a aplicac¸˜ao de tecnologias de tr´afego de dados, que atuam no sensoreamento, monitoramento e transmiss˜ao das ac¸˜oes de con-trole determinadas pelo operador do sistema [Loia et al. 2013, Strasser et al. 2015].
Nesse contexto, este trabalho apresenta uma abordagem para o controle da mag-nitude de tens˜ao em sistemas de transmiss˜ao de energia el´etrica que aplica uma infra-estrutura de comunicac¸˜ao WiMAX. A abordagem proposta determina uma sequˆencia de ajustes nos geradores s´ıncronos para corrigir as magnitudes de tens˜ao fora dos limites operacionais adequados ([0, 95; 1, 05] p.u.) e aplica a rede WiMAX para transmitir aos dispositivos de controle os comandos a serem efetuados.
As contribuic¸˜oes relacionadas a abordagem proposta podem ser resumidas como: a) determinac¸˜ao de uma sequˆencia de ajustes a serem executados nos dispositivos de con-trole; b) desenvolvimento de metodologias de controle, para definir os ajustes na magnitu-des de tens˜ao dos geradores s´ıncronos; c) aplicac¸˜ao de uma infraestrutura de comunicac¸˜ao capaz de dar suporte a transmiss˜ao e execuc¸˜ao das ac¸˜oes de controle; d) avaliac¸˜ao do atraso e volume de dados trafegados, bem como da disponibilidade m´edia da rede de dados.
O restante do trabalho ´e organizado da seguinte forma: a Sec¸˜ao 2 apresenta a abordagem proposta para o controle da magnitude de tens˜ao; a Sec¸˜ao 3 descreve os testes realizados e discute os resultados obtidos por meio da simulac¸˜ao da abordagem na ferra-menta NS-3; a Sec¸˜ao 4 apresenta as conclus˜oes, enumera as limitac¸˜oes da abordagem e descreve as perspectivas para continuac¸˜ao deste trabalho.
2. Abordagem Proposta
A abordagem proposta ´e constitu´ıda pelos trˆes componentes apresentados na Figura 1.
Figura 1. Descric¸ ˜ao dos componentes da abordagem. 2.1. Gestor de Controle
O Gestor de Controle (GC) ´e respons´avel por determinar o estado do sistema por meio da resoluc¸˜ao do Fluxo de Carga [Monticelli 1983]. Em seguida, o CG determina as violac¸˜oes de tens˜ao e aplica as metodologias de controle para determinar a sequˆencia dos ajustes. Os ajustes s˜ao determinados em func¸˜ao da matriz Jacobiana reduzida (JQV) do sistema, a
qual relaciona variac¸˜oes da injec¸˜ao de potˆencia reativa com variac¸˜oes nas magnitudes de tens˜ao das barras do sistema [Lage et al. 2013].
2.1.1. Definic¸˜ao das Metodologias de Controle
Ap´os o c´alculo do Fluxo de Carga pelo GC, a metodologia de controle em execuc¸˜ao deter-mina o conjunto de barras de controle (ρ) a ser ajustado, caso exista violac¸˜oes de tens˜ao.
Ou seja, caso a magnitude de tens˜ao seja inferior a m´ınima tens˜ao permitida (Vmin) ou superior a m´axima tens˜ao permitida (Vmax). Para definic¸˜ao dos ajustes calculam-se os desvios de tens˜ao (vetor ∆VCi) para as barras de carga (P Q), de acordo com a Equac¸˜ao 1
e estima-se a variac¸˜ao na gerac¸˜ao de potˆencia reativa (∆Q), conforme Equac¸˜ao 2. Entre-tanto, a variac¸˜ao de potˆencia reativa ´e produzida variando-se a magnitude de tens˜ao nas barras de controle (∆VG), determina-se o quanto variar na magnitude tens˜ao das barras
do conjunto ρ (Equac¸˜ao 3). ∆VCi = ( Vi− Vmax, se Vi> Vmax Vmin− V i, se Vi< Vmin , i = 1, 2, · · · , NP Q (1) ∆Q = JQV∆VC (2) ∆VG = JQV−1∆Q (3) 2.2. N´os de Controle
O segundo componente corresponde aos N´os de Controle (NC), que s˜ao os equipamentos diretamente ligados aos dispositivos de controle. Os NCs recebem as mensagens do GC e efetuam os ajustes recomendados.
2.3. Infraestrutura de comunicac¸˜ao
O terceiro componente corresponde `a Infraestrutura de Comunicac¸˜ao (IC), formada por um conjunto de dispositivos com capacidade para transmiss˜ao de dados referen-tes ao estado do sistema e aos comandos de regulac¸˜ao a serem executados pelos NCs. Sua principal finalidade ´e, portanto, intermediar a troca de informac¸˜oes entre o GC e os NCs. A rede WiMAX aplicada emprega uma topologia PMP (Point-Multipoint) [Farooq and Turletti 2009], por essa ser uma infraestrutura mais simples de gerenciar e para an´alise da rede de dados o modelo definido em [L´evesque and Maier 2014] ´e apli-cado.
3. Resultados e Discuss˜oes
Cen´arios operacionais para o sistema IEEE de 57 barras, foram constru´ıdos na ferramenta NS-3, com violac¸˜oes de magnitude de tens˜ao aplicados para avaliar a Infraestrutura de Comunicac¸˜ao. Os resultados exibem o estado inicial do sistema com violac¸˜oes de tens˜ao e o estado final (ambos apresentados na Tabela 1) ap´os as correc¸˜oes executadas nas barras de controle 1 e 8 (A magnitude de tens˜ao da barra 1 foi modificada de 1,04 para 1,05 e da barra 8 de 1,005 para 1,025).
As tecnologias WiMAX e DWDM s˜ao utilizadas para interconectar o sistema e transmitir as ac¸˜oes de controle. A An´alise de Disponibilidade M´edia da Rede, determina a carga de tr´afego suportado pelas tecnologias de comunicac¸˜ao. A An´alise de Atraso e Volume de Dados (AVD) determina os tempos (m´ınimo e m´aximo) para transmitir os dados entre o GC e os NCs, bem como a quantidade de dados efetivamente transmitidos. A parametrizac¸˜ao empregada na rede WiMAX ´e definida em [L´evesque and Maier 2014]. Enquanto, a parametrizac¸˜ao aplicada na rede DWDM segue o modelo definido por [Miletic 2015].
Tabela 1. Correc¸ ˜ao das violac¸ ˜oes de tens ˜ao. Barra Vk(p.u.) com violac¸˜ao Vk(p.u.) ap´os correc¸˜oes
26 0,949248 0,959824 31 0,943127 0,953656 32 0,94643 0,955931 33 0,944127 0,953652 34 0,948481 0,95636 3.1. Disponibilidade da Rede
Para avaliac¸˜ao das tecnologias de transmiss˜ao de dados foram definidos diferen-tes quantidades de fluxos duas aplicac¸˜oes, denominadas AC e Subestac¸˜ao (Sb) [L´evesque and Maier 2014]. As quantidades de tr´afego aplicadas s˜ao definidas na Tabela 2. S˜ao utilizados diferentes valores de probabilidade de bloqueio e taxas de tr´afego asso-ciadas `as portas de sa´ıda das interfaces WiMAX, com o intuito de avaliar a priorizac¸˜ao do tr´afego de dados relacionados a execuc¸˜ao das sequˆencia de ajustes.
Tabela 2. Descric¸ ˜ao das fluxos.
Tipo N´umero de fluxos da aplicac¸˜ao AC N´umero de fluxos da aplicac¸˜ao Sb
Tr´afego C 50 300
Tr´afego D 50 400
Para an´alise ilustrada nas Figuras 2(a) e 2(b) foram testadas diferente rotas para entrega dos ajustes de controle aos n´os finais. Al´em disso, ´e considerado que a proba-bilidade de falha de uma estac¸˜ao base (pwi) e de falha da fibra (pop,u) pode assumir os
valores 10−5, 10−4, 10−3, 10−2, 10−1 e 1. Para todos os experimentos o atraso m´edio de transmiss˜ao na rede WiMAX ´e considerado 30 ms e para a rede DWDM 10 ms, bem como s˜ao calculadas a intensidade de tr´afego (ρ) e a probabilidade de bloqueio (B(ρ)).
Na rede WiMAX para a rota de 41 saltos s˜ao exibidos os Tr´afegos C (com (ρ = 18, 45) e (B(ρ) = 0, 945799)) e D (com (ρ = 22, 55) e (B(ρ) = 0, 955654)). Por fim, a rota com 76 saltos tem a an´alise de disponibilidade apresentada para os Tr´afegos C (com (ρ = 34, 2) e (B(ρ) = 0, 97076)) e D (com (ρ = 41, 8) e (B(ρ) = 0, 976077)). 100−5 10−4 10−3 10−2 10−1 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 pwi Disponibilidade Tr´afego C Tr´afego D (a) 41 saltos 100−5 10−4 10−3 10−2 10−1 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 pwi Disponibilidade Tr´afego C Tr´afego D (b) 76 saltos
Tabela 3. Tempos (em ms) para execuc¸ ˜ao da correc¸ ˜oes na rede WiMAX. Iterac¸˜ao Barra 1 Barra 3 Barra 8 Barra 12
1 44 / 752 - -
-2 - - 561 / 581
-3 - - 573 / 594
-Tabela 4. Tempos para execuc¸ ˜ao das correc¸ ˜oes na rede DWDM. Iterac¸˜ao Barra 1 Barra 3 Barra 8 Barra 12
1 30 / 200 - -
-2 - - 150 / 170
-3 - - 160 / 180
-Na rede DWDM para a rota de 41 saltos ´e exibido a disponibilidade para o Tr´afego D (com (ρ = 77, 52) e (B(ρ) = 0, 866962)). Por fim, a rota com 76 saltos tem a an´alise de disponibilidade apresentada para os Tr´afegos C (com (ρ = 11, 4) e (B(ρ) = 0, 912281)) e D (com (ρ = 13, 93) e (B(ρ) = 0, 92823)). 100−5 10−4 10−3 10−2 10−1 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 pop,u Disponibilidade Tr´afego D (a) 41 saltos 100−5 10−4 10−3 10−2 10−1 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 pop,u Disponibilidade Tr´afego C Tr´afego D (b) 76 saltos
Figura 3. Disponibilidade para a rede DWDM.
3.2. An´alise AVD
As informac¸˜oes relacionadas ao atraso m´aximo e m´ınimo s˜ao apresentadas nas Tabelas 31 e 4 para as redes DWDM e WiMAX, respectivamente. Com relac¸˜ao ao atrasos, a rede WiMAX tem uma latˆencia superior ao da rede DWDM. Tendo em vista, que a rede WiMAX apresenta um n´umero de n´os de comutac¸˜ao bem superior `a rede DWDM e um N´o de Controle espera muito mais tempo por uma ac¸˜ao de controle. Ambas as redes transmitem 4096 e 6144 Bytes `as barras 1 e 8, respectivamente.
4. Conclus˜oes
Esse trabalho apresenta uma abordagem para o controle da magnitude de tens˜ao em sistemas de transmiss˜ao de energia el´etrica considerando aspectos de infraestrutura de comunicac¸˜ao. A abordagem determina uma sequˆencia de ajustes nas magnitudes de
tens˜ao dos geradores s´ıncronos e todos os ajustes s˜ao encaminhados do GC ao NC co-nectado `a barra a atuar, por interm´edio da tecnologia WiMAX.
Baseado nos resultados ´e poss´ıvel perceber que a sequˆencia de ajustes definidas consegue corrigir as violac¸˜oes de tens˜ao e a infraestrutura de comunicac¸˜ao possibilita a operac¸˜ao dos NCs. Por fim, a modelagem dos dispositivos de comunicac¸˜ao na ferramenta NS-3 permite a obtenc¸˜ao das m´etricas relativas ao tr´afego de dados (atraso e volume) e a realizac¸˜ao da an´alise de disponibilidade.
Entretanto, a abordagem funciona de forma centralizada, pois o GC ´e instalado em um centro de controle. Al´em disso, outras alternativas ao redespacho de potˆencia reativa foram testadas, bem como uma an´alise mais aprimorada da infraestrutura de comunicac¸˜ao n˜ao foi realizada. Dessa forma, s˜ao considerados pontos primordiais na continuidade da pesquisa a incorporac¸˜ao de outras formas de controle da magnitude de tens˜ao (como a determinac¸˜ao de chaveamentos em bancos de capacitores e reatores) e a aplicac¸˜ao da infraestrutura de comunicac¸˜ao para transmitir dados de outras aplicac¸˜oes instaladas em sistemas de potˆencia.
Referˆencias
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