de an po de po de de no co es pe de si de (L D A E pe R de te ge si di fe es am a ge é pe pa es es ro de to in tr a
R
––– CN Elét Uni Resumo--Est esenvolviment nálise estática orte. Inicialme e carga para otência é apres e carga e geraç escrita a modi o tempo visan omportamento sforço comput ela ferramen esenvolviment mulação de esenvolvido n LASPOT) da Desenvolviment Aplicados à M létrica. EQUISITO para o sup erspectiva pa Relacionado a e interconexõ ecnologias e d erada pelo cr istemas com m iversos fenô erramentas d studos e aná mbientes de p Um sistema mudanças eradores, além importante a erturbações q ara, por exem stados iniciais stados para um obustez do sis e se avaliar orna árdua, um Uma vez av nteresse, a sim ransição de um estabilidadeCom
R
––––––––––––––– O trabalho apres Pq. D. R. Parrini é trica, Universidad T. M. L. Assis é iversidade Federa te relatório o de ferrame e dinâmica d ente, uma ferr a auxiliar no sentada, possib ção global no ficação de um ndo a monitor o de elementos tacional. Os a nta são des os foram real sistemas de no Laboratór COPPE/UFR to de Model elhoria de Se I. INT OS mais sev primento de en ara a operaç ela, o atual c ões entre reg de expansão p rescimento ec maior comple ômenos. De e apoio que álise de rede planejamento e a de potência contínuas em m da ocorrênc avaliar difere que podem o mplo, diferente s de equilíbrio ma condição stema. Para um diferentes pa ma vez que demvaliados os di mulação dinâm m estado de e do sistema, a
De
mputaci
David –––––––––––– sentado neste relaaluno de gradua de Federal do Rio é professora do D al do Rio de Janei técnico-cientí entas computa e sistemas de ramenta de al estudo estáti bilitando a rea sistema em an aplicativo de ração gráfica s do sistema, a algoritmos e c scritos e e lizados com b e energia e rio de Siste RJ, como par los e Método gurança de S TRODUÇÃO eros de qual nergia elétrica ção de siste contexto de au giões, de intr para o atendim conômico tem exidade e sus essa forma, e proporcione es elétricas, e operação em é operado num m suas carg cia de distúrbi entes pontos correr. Os po es patamares o [1]. O conj de operação s ma rede de gra atamares de c manda tempo iferentes pont mica no tempo quilíbrio para a qual depend
senvo
ionais
d Rodrigues P Taatório foi apoiado ação do Departa o de Janeiro. Departamento de iro. ífico apresen acionais de ap potência de g lteração autom ico de sistem alização de vari nálise. Em segu simulação din de medidores além da reduç cálculos execu xemplificados. base no softwa elétrica, Simu emas de Pot rte do projet os Computac istemas de En idade e segu a compõem a mas de potê umento no nú rodução de n mento da dem m por consequ sceptíveis aos são neces em agilidade especialmente m tempo real. m ambiente su gas, despach
os. Neste con de operação ontos de ope
de carga, def unto dos pos segura determ ande porte, a carga e geraç . tos de operaç o permite estu a outro, verific de da gravidad
olvime
s de Ap
de P
Parrini, Bols atiana Marian o financeiramente mento de Engen e Engenharia Elé nta o poio à grande mática mas de iações uida, é âmica s e do ção do utados . Os are de ulight, tência to de cionais nergia urança a atual ência. úmero novas manda uência mais sárias e nos e nos sujeito ho de ntexto, e as eração finem ssíveis mina a tarefa ção se ção de udar a cando de do distú U mínim nece bem com segur Es ferra visan cenár em te A apres ferra (B) simu de comp de desen dinâm IV ap um r A. P A mode topol (SEE mate indic da to elétri variá Fig. 1 Energento de
poio à
Potênc
ista de Inicia no Lessa Ass e pelo nharia étrica, úrbio aplicado Um sistema s mos em regim ssidade de se como a adequ a finalidade rança exigidas sse trabalho t amentas de ap ndo fornecer u rios de carga empo de simu A Seção II sentando a pl amenta para al e a estratég ulação dinâmic variáveis em putacionalmen alteração de nvolvido e do mica são apre presenta as co elatório de ati Plataforma Co A plataforma elagem orient logia e cone E), como tam emáticos. A Fi ca os relaciona opologia (SEE icos, como G ável (LTC) [3] . Diagrama de gia Elétrica (SEE)e Ferr
à Anál
cia
ação Científi sis, Orientad . seguro é aqu me permanent monitorar al uada atividad de atender a s antes e após teve como obj poio à anális uma maneira á e geração e ac ulação de variá descreve a lataforma com lteração autom gia de prog ca no tempo m tempo d nte mais rápid e carga, do tempo compu sentados na S onclusões do t ividades e a av II. METOD mputacional computacion tada a objeto exões dos Si mbém os di ig. 1. mostra o amentos entre E, Área e Sube erador, Carga ]. Classes simplificament
lise de
ca do CNPq/ doraquele que ate te e dinâmico lgumas variáv de de alguns d as condições s uma contingê bjetivo o dese se de sistem ágil para se es companhar o áveis do sistem metodologia mputacional u mática de carg gramação do para permitir de simulaçã do. Resultado método d utacional ganh Seção III. Fina
trabalho. É ap valiação do bo DOLOGIA nal utilizada os em C++ pa istemas de E ispositivos e o diagrama de e objetos que d estação) e algu a e o Transfor
cado que represe
tas
e Siste
q/PIBIC ende requisit o [2]. Assim, veis do sistem dos dispositivo de qualidade ência. nvolvimento mas de potênc studar diferent comportamen ma. a do trabalh utilizada (A), ga desenvolvi aplicativo r a monitoraç ão e torná-s da ferramen e monitoraç ho na simulaç almente, a Seç presentado ain olsista. a [3] empre ara descrever Energia Elétri seus model e classes [3] q descrevem par uns dispositiv rmador de Ta enta um Sistemaemas
1 tos há ma, os, e e de cia tes nto ho, , a ida de ção -lo nta ção ção ção nda ega r a ica los que rte vos ape de
Conforme será evidenciado neste trabalho, as ferramentas desenvolvidas requerem a pesquisa sequencial através dessa estrutura para obter informações de dispositivos dos tipos Carga, Gerador e LTC do sistema.
Na plataforma, estão disponíveis aplicativos como o fluxo de potência [4], para análise estática, e a simulação no domínio do tempo, para análise dinâmica [1]. Em razão dos diferentes regimes, alguns dispositivos possuem modelos estáticos e dinâmicos distintos, que são alternados convenientemente com o tipo de aplicativo utilizado. Por exemplo, um gerador é modelado com equações algébricas na análise estática. Por outro lado, na simulação dinâmica, sua modelagem inclui um conjunto de equações algébrico-diferencial.
Os modelos de cargas e geradores possuem em comum alguns parâmetros, como a componente de potência ativa (P), a de potência reativa (Q), o módulo da tensão (V) e o ângulo da tensão (). Na análise estática, apenas dois desses parâmetros são especificados, em diferentes combinações. Por exemplo, uma carga com modelo PQ terá os dois componentes da potência parametrizados e a informação da tensão deverá ser calculada pelo algoritmo de fluxo de potência.
B. Alteração Automática de Carga
Foi desenvolvida uma ferramenta para alteração automática de carga. Essa ferramenta, totalmente integrada à plataforma computacional descrita na Seção A, permite a análise imediata de diferentes patamares de carga usualmente presentes nos sistemas elétricos (pesada, média e leve).
O aplicativo de Alteração Automática de Carga possui dois modos de funcionamento: alteração de carga relativa (percentual) e alteração absoluta. Na primeira, a alteração é realizada baseada nas informações presentes dos dispositivos, enquanto que na segunda um valor fixo e igual é somado/subtraído de cada dispositivo do sistema.
No modo de alteração de carga percentual, para uma carga qualquer do sistema, dadas suas componentes da potência originais, e , e os coeficientes e , que representam os percentuais de alteração, os valores finais das componentes são dados por (1) e (2). Como toda a carga do sistema sofre uma alteração de uma mesma quantidade percentual, a quantidade de carga repartida para os geradores segue a mesma proporção.
1 ∗ (1)
1 ∗ (2)
No modo absoluto, definidos os respectivos incrementos (ou decrementos) de potência ativa e reativa, e respectivamente, os valores finais das componentes são determinados por (3) e (4).
(3)
(4)
Considerando n cargas do sistema, onde para uma carga i uma quantidade de potência ativa e de potência reativa
foi acrescentada, os totais e
de potência adicionada ao sistema podem ser obtidos por (5) e (6).
(5) (6) Esses totais acrescentados são repartidos, então, entre os geradores do sistema, utilizando como peso a participação de cada gerador em relação à geração total do sistema, antes da alteração de carga. Assim, a participação de potência ativa (reativa ) de um gerador é dada pela razão entre o valor de potência ativa (reativa) do gerador e a potência ativa (reativa) total gerada pelo sistema:
⁄ (7)
⁄ (8)
Os novos valores de geração serão, portanto:
∗ (9)
∗ (10)
Definidas as equações para os dois modos de operação, a ferramenta de alteração automática de carga possui um algoritmo básico para cada modo. A diferença entre eles não apenas se dá pelas equações como pela forma com que a carga é repartida entre os geradores. O algoritmo básico da alteração de carga percentual é definido no Quadro 1.
Algoritmo Alteração Percentual
Listar dispositivos (carga e gerador) Para cada dispositivo:
Se o parâmetro P estiver disponível: Alterar parâmetro P, Eq. (1) Fim-Se
Se o parâmetro Q estiver disponível: Alterar parâmetro Q, Eq. (2) Fim-Se
Fim-Para Fim.
Quadro 1. Algoritmo de Alteração Percentual
Já o algoritmo básico para a alteração de carga absoluta é dado no Quadro 2.
Algoritmo Alteração Absoluta Listar Cargas
Para cada carga:
Se parâmetro P estiver disponível: Alterar parâmetro P, Eq. (3) Fim-Se
Se parâmetro Q estiver disponível: Alterar parâmetro Q, Eq. (4) Fim-Se
Fim-Para
Listar geradores Para cada gerador:
Calcular participação, Eq. (7) e (8) Se o parâmetro P estiver disponível: Alterar parâmetro P, Eq. (9) Fim-Se
Se o parâmetro Q estiver disponível: Alterar parâmetro Q, Eq. (10) Fim-Se
Fim-Para Fim.
re di de di C si ex do de m ca a m si ta di da si si Fi m à in po cl m Te pr se ex m fo pr ap si co pa co de m e es e um m Note-se que epartição entre isponibilidade ependerá exc ispositivo (car C. Monitoraçã Foi desenvo imulação din xecução. Essa o sistema ao l esenvolvidas medidores e a aracterística d seguir. Para a imple melhorar o de imulação dinâ arefas em pro iagrama de cl a tela do p imulação, bem imulador. ig. 2. Separação monitoração e melh A classe do classe Pr nformações at or sua vez, e lasse respons monitoração. elaSimulaçã rocessos difer e torna dispon xecutada, co monitorados, e orma, a simu rogresso atual Além disso presentar outr imulação rápi omuns entre o ara permitir u omo pode ser A partir da n e simulação d monitoração, q verificam m specificament a atuação de l Procedimen m medidor, monitorados, b e a diferença e os geradore e ou não d clusivamente rga ou gerado ão de Simulaçã
olvida uma fer nâmica do si a ferramenta p ongo do temp neste trabal automação d de alguns disp ementação da esempenho c âmica foi m ocessos difere lasses da Fig. programa é m como as me o do aplicativo e hora no desempe aplicativo Si rocessoApli tuais de um m está agregada sável pela int
As execuçõ
ão e Proce
rentes. Com e nível para outr omo a exib e é atualizada ulação não é l na tela de sim o, pelo fato ros tipos de s ida e a simu os diferentes uma reestrutur visto no diagr nova estrutura dinâmica, foi que permite o mudanças imp te a atuação d limitadores [1 ntos específico dispositivos bem como a f entre os dois s. Além disso de um determ do modelo r). ão em tempo d rramenta de ac istema elétric possibilita a a po. As princip lho foram a de mensagens positivos, conf monitoração, computacional modificado, de entes, como . 2. A frequên controlada p ensagens trazi em diferentes pro enho do aplicativo imulaçãoDin icativo, q medidor monit à TelaSim terface gráfic ões das fun
essoAplicat
essa divisão, a ras ações enqu bição do pr numa frequê interrompida mulação. da plataform imulação dinâ ulação combin aplicativos fo ação mais con rama de classe a desenvolvid implementad acompanham portantes em de tapes de tra 1]. os controlam ou controles frequência co algoritmos es o, nos dois ca minado parâm adotado pa de execução companhamen co em temp análise da evo ais funcionali a monitoraçã sobre mudan forme será de , com o objeti l, o aplicativ e forma a se pode ser vist ncia de atuali pelo process idas pelo aplic
ocessos para per o. nâmica é agre que disponi torado. Essa c mulação, qu ca e o gráfic ções das cl tivo ocorrem a tela de simu uanto a simula ogresso e d ência menor. D a para atuali ma computac âmica, tais co nada [3], mé oram generali ncisa da simul es da Fig. 3. da para o aplic da a ferramen mento de medi dispositivos, ansformadores a forma com s do sistema m que o usuá stá na asos, a metro ara o nto da po de olução idades ão de nça na escrito ivo de vo de eparar to no ização so de cativo rmitir a egada ibiliza classe, ue é a co de lasses m em ulação ação é dados Dessa izar o cional omo a étodos izados lação, cativo nta de idores mais s LTC m que a são ário é infor atual Fig. 3 simula Algo Inic List Enqu Fim-Fina Fim. Quadr O recup para ponto a sim O trans temp arma é anu simu atual comp Ta de ca que e tela d Pa limit e red desse rmado. O algo lizado para o d 3. Diagrama de c ação, com detalhe ritmo Proces ializar Parâ ar LTCs e Li anto tempoAt Executar Verifica Verifica Monitora Monitora Monitora Monitora Atualiza Atualiza Enquanto lizar Simula ro 3. Algoritmo d O procediment pera o último a tela de sim o a um gráfico mulação. O procedimen sformadores L po atual da azenado. Caso unciada em u ulação da Fi lizado para o paração. ambém é veri ada limitador esse limitador de simulação s í ara evitar um tadores na estr duzir o esforç es elementos n oritmo básico descrito no Qu classes detalhand es das telas e dos sso de Simul âmetros e Co imitadores tual < tempo r Passo de si ar Estabilida ar Convergênc ar Mensagens ar dados de M ar Atividade ar Atividade ar Tela ar Tempo ação do Processo de Si to de monito par instante/v mulação que, o, como visto nto de mon LTC compara o a simulação esses valores uma listagem g. 4. O va valor atual p ificada a entra do sistema. A r está ativo e sempre que ve ma busca inte rutura da Fig. ço computacio no início da si do processo d uadro 3. do a nova estrutu s aplicativos. lação Dinâmi ontroles oFinal: imulação dade ncia Medidor de LTCs de Limitado imulação Dinâmi oração de dad /valor medido , por sua vez na Fig. 4, atu nitoração de o valor do tap com um s sejam diferen na parte infe alor anterior para ser usad ada
A condição da a informação erdadeira. ensa por tran
1 a cada pass ional, é criada imulação. de simulação f ura do aplicativo ica ores ica dos de medid o e disponibili z, adiciona es ualizado duran atividade pe no instante valor anteri ntes, a mudan erior da tela armazenado do numa futu e a saída í a Eq. (11) indi é anunciada (11) nsformadores so de integraç a uma listage foi de dor iza sse nte de de ior nça de é ura í ica na e ção em
Fi D aj si pe gr pe de fo E Fi m co al ex Fi fe
ig. 4. Tela de sim
D. Desenvolvim Além das a justes foram imulação. Ess ermitir a vis ráficos de m ermitir a mod e curvas e r ormatados pa xcel. ig. 5. Tela de modificação para orrente e tensão, e Com a final lteração autom xtraído de [5] ig. 6. Sistema 9 erramenta de alter mulação e gráfico mentos Comp adições ao apl feitos na ferr sa ferramenta sualização e medidores, com dificação dos e retas auxiliar ara outros ap e visualização g permitir a comp em diferentes grá III. RE lidade de dem mática de ca e representad 9 barras retirado ração automática de monitoração d plementares licativo de sim ramenta de an foi totalment comparação mo pode ser elementos visu res e a expo plicativos, tai gráfica pós-simu paração entre dif áficos. ESULTADOS monstrar o us arga, um sis do na Fig. 6 fo de [5] utilizado de carga. de medidor em ên mulação dinâ nálise gráfica te remodelada de dois ou r visto na Fi uais, escala, a ortação dos d s como Mat ulação. Em deta ferentes medidas, so do aplicativ tema de 9 b oi utilizado. o como exemplo nfase. âmica, a pós-a ppós-arpós-a mais ig. 5, adição dados tlab e alhe, a , como vo de barras para a To seja, O G utiliz Os d 6 ind calcu Fo em to poste parâm potên ferra obtid Di Ger Ger Ger Ca Ca Ca Pa 6, fo 5Mv origi RES Disp Gerad Gerad Gerad Carg Carg Carg So dinâm nova versã temp difer aprox temp Fig. 7 refere se refe Nov Nov odas as carga com parâmetr Gerador 1 foi za o modelo V demais gerador dica o ponto d ulado através d oi realizada u odo o sistema eriores a alte metros não e ncia reativa n amenta. De f dos após o cálc RESULTADO DA ispositivo rador 1 (Vθ) rador 2 (PV) rador 3 (PV) arga 5 (PQ) arga 6 (PQ) arga 8 (PQ) artindo do est oi feita uma ar nas cargas nais e finais, a SULTADO DA ALTE positivo [M dor 1 (Vθ) 7 dor 2 (PV) 1 dor 3 (PV) 8 ga 5 (PQ) 1 ga 6 (PQ) 9 ga 8 (PQ) 1 obre a reest mica, a Fig. a versão (com ão para a simu po de 10 segu rença de temp ximadamente po consideráve . Tempos de CPU à nova estrutura ere à versão anter
A va (C/ Monitora va (S/ Monitora T as foram def ros P e Q defi definido com V, com parâm res foram mod de operação i do aplicativo d uma alteração a no estado ini ração estão d especificados nos geradores fato, os valo culo do fluxo TABEL A ALTERAÇÃO DE [MW] [M 71.6 2 163.0 6 85.0 -1 125.0 5 90.0 3 100.0 3 ado inicial de alteração de do sistema. A após a solução TABEL ERAÇÃO DE CARG MW] [Mv 71.6 27 63.0 6.7 85.0 -10 25.0 50 90.0 30 00.0 35 truturação do 7. mostra o e sem monito ulação de um undos e pass po entre a an 84s, o qu el em relação U, em segundos, do aplicativo de rior da estrutura d 350 4 ntiga ação) ação) empo de CPU d finidas com m inidos e V e mo gerador d metros P e Q delados como inicial do sist de fluxo de po de carga per icial, cujos da disponíveis n nos modelo s PV, não sã ores não esp
de potência [4 LA I CARGA PERCENT Mvar] [MW 27.0 83. 6.7 187 10.9 97. 50.0 143 30.0 103 35.0 115 e equilíbrio do carga absolu A Tabela II m o do fluxo de LA II GA ABSOLUTA DE var] [MW 7.0 79.0 7 178. 0.9 93.1 0.0 135. 0.0 100. .0 110. o aplicativo tempo de pro oração habilit m sistema de 9 so de integraç ntiga e a nov ue demonstra ao modo antig do aplicativo de e simulação, enqu do aplicativo. 441 438 400 450 de Simulação ( modelo PQ, desconhecido de referência desconhecido o PV [4]. A Fi tema, o qual f otência. centual de 15 ados anteriores na Tabela I. O s, tais como o afetados pe pecificados s 4]. TUAL DE 15% W] [Mvar] 3 41.5 .5 20.2 8 -1.8 .8 57.5 .5 34.5 5 40.3 o sistema da Fi ta de 10MW mostra os dad potência. 10MW E 5MVAR W] [Mvar] 0 37.7 5 16.3 1 -3.6 0 55.0 0 35.0 0 40.0 de simulaç ocessamento ada) e da anti 979 barras, co ção de 5ms. va versão é um ganho go. simulação. Nova uanto a série Ant
525 500 550 s) ou os. a e os. ig. foi 5% s e Os a ela são ig. W e dos R ] ção da iga om A de de a se tiga
IV. CONCLUSÕES
Conforme os sistemas elétricos de potência crescem em complexidade e número de dispositivos, aumenta a dificuldade de análise para planejar e operar tais sistemas, mantendo-se o nível de qualidade e confiabilidade exigidos.
No estudo de possíveis estados de equilíbrio, é de interesse observar a possibilidade de estudar diferentes patamares de carga e geração. A ferramenta de alteração automática de carga desenvolvida neste trabalho auxilia esse estudo, pois substitui a modificação manual desses valores, que seria uma tarefa exaustiva para sistemas de grande porte.
Durante uma simulação no domínio do tempo, além da necessidade de se acompanhar a transição para um estado de equilíbrio após uma contingência, é de interesse poder observar o comportamento de alguma medição enquanto a simulação ocorre, além de poder ter registrado o comportamento de alguns dispositivos. Com as novas funcionalidade e modificações na estrutura computacional efetuadas neste trabalho, além da redução do esforço computacional, se tornou possível monitorar mais elementos do sistema, como os limitadores e tapes dos transformadores, auxiliando assim a análise do engenheiro de sistemas de potência na sua tomada de decisão.
As ferramentas criadas e modificadas cumprem, então, os objetivos de apoiar os estudos de sistemas mais complexos.
V. REFERÊNCIAS
[1] P. Kundur, J. Paserba, V. Ajjarapu, G. Andersson, A. Bose, C. Canizares, N. Hatziargyriou, D. Hill, A. Stankovic, C. Taylor, T. Van Cutsem and V. Vittal, "Definition and Classification of Power System Stability", IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 19, No. 2, May, 2004.
[2] K. Morison, L. Wang and P. Kundur, "Power System Security Assessment", IEEE Power & Energy Magazine, September/October, 2004.
[3] A. Manzoni, “Desenvolvimento de um Sistema Computacional Orientado a Objetos para Sistemas Elétricos de Potência: Aplicação a Simulação Rápida e Análise da Estabilidade de Tensão”, Tese de Doutorado – COPPE/UFRJ, Março, 2005.
[4] J. Monticelli, "Fluxo de Carga em Redes de Energia Elétrica", Editora Edgard Blücher LTDA., 1983.
[5] P. M. Anderson e A. A. Fouad, “Power System Control and Stability”, 2ª ed., John Wiley & Sons, Inc., 2003.
VI. RELATÓRIO DE ATIVIDADES
Com relação ao projeto, fiz duas visitas técnicas, uma ao Centro Regional de Operações Sudeste (COSR-SE) do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) em 04/11/2011, onde conheci mais sobre o processo de operação da rede e o contato com um importante usuário de ferramentas computacionais de análise e simulação de sistemas elétricos de potência. A segunda visita foi ao complexo Lajes de usinas da Light em 17/11/2011.
Estive presente em duas defesas de teses, “Alocação de Monitores de Qualidade de Energia e Unidades de Medição Fasorial usando Programação Dinâmica Aproximada” de
Débora Costa Soares Dos Reis, em 04/2012, de doutorado e “Detecção da Proximidade de Instabilidade de Tensão utilizando Sincrofasores” de Carlos Alberto Oyarce Infante, em 12/07/2012, de mestrado.
VII. AVALIAÇÃO DO BOLSISTA
Desde que iniciei minhas atividades de aluno de Iniciação Científica no Laboratório de Sistemas de Potência, em 2011, venho aprendendo sobre sistemas elétricos, diversas técnicas matemáticas e computacionais para a análise desses e, principalmente, sobre a responsabilidade requerida para se participar de um trabalho de pesquisa e desenvolvimento em engenharia elétrica. Durante esse período de atividade no laboratório, verifiquei amadurecimento próprio em relação aos cuidados com a precisão dos dados e informações do programa. Nas frequentes reuniões com minha orientadora recebi instruções para solucionar como também pude propor a solução de alguns problemas. Não menos importante, o laboratório é um local de muita troca de informações da área com outros alunos. Por essas razões, avalio que a minha estadia no Laboratório de Sistemas de Potência é de grande valor para a minha formação e futura carreira como engenheiro.
