UTILIZAÇÃO DOS CONTROLADORES DEFINIDOS PELO USUÁRIO NO SIMULADOR PARA TREINAMENTO DE OPERADORES
Marcelo Rosado da Costa * Roberto Baitelli
CEPEL CEPEL
RESUMO DO ARTIGO:
Este trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta de modelagem de controladores a ser utilizada no treinamento de operadores de forma flexível e realista o suficiente para aprimorar e tornar mais efetivos os resultados obtidos na simulação do sistema elétrico nos cenários de treinamento. Esta modelagem foi baseada na funcionalidade Controlador Definido pelo Usuário - CDU, já utilizada no programa Anatem (Análise de Transitório Eletromecânicos), de modo que os controles sejam representados através de diagramas blocos e monitorados ou atuados no ambiente de simulação do sistema elétrico durante a sessão de treinamento. Os CDUs podem representar esquemas de especiais de proteção ou sistemas de controle de interesse do instrutor na sessão de treinamento.
Alguns exemplos de modelagem de controladores são apresentados no trabalho para um sistema elétrico exemplo de 65 barras e 7 usinas, no intuito de avaliar a implementação desta inovadora funcionalidade. Um desses exemplos está relacionado a um esquema especial de proteção, baseado em corte de geração após o desligamento de um circuito. Outros exemplos estão relacionados ao uso de blocos dinâmicos do CDU. Após testes realizados com os exemplos apresentados, pretende- se demonstrar a viabilidade da solução no ambiente do Simulador para Treinamento dos Operadores integrado nativamente ao SAGE (Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia).
PALAVRAS-CHAVE:
Treinamento, Operadores, Controle, Sistema EMS, Gerenciamento, Energia, Sistema,
Simulação, Software.
UTILIZAÇÃO DOS CONTROLADORES DEFINIDOS PELO USUÁRIO NO SIMULADOR PARA TREINAMENTO DE OPERADORES
1. INTRODUÇÃO
A qualificação dos operadores de sistemas elétricos de potência tem sido uma preocupação constante nas últimas décadas devido à crescente complexidade da operação das redes elétricas. O uso de simuladores de redes elétricas para treinamento de operadores conectados aos sistemas de supervisão e controle dos centros de operação é a melhor alternativa para se obter este tipo de qualificação.
Há vários anos, o CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica vem desenvolvendo o sistema de supervisão e controle SAGE, o qual tem tido grande difusão no setor.
Paralelamente, o Centro também mantém família de softwares de Análise de Redes [1]
amplamente utilizada em todo o Brasil. A união destas experiências propiciou o desenvolvimento um simulador digital de redes elétricas para treinamento de operadores, chamado de TopSim, integrado nativamente ao sistema EMS do SAGE e que encontra-se em fase final de desenvolvimento. Esta integração propiciará solução mais coesa e de menor custo de investimento e manutenção, criando alternativa ao uso de simuladores externos de terceiros.
A implementação desse tipo de simulador num Centro de Operação possibilita treinamentos de diferentes tipos de situações, mas a representação de certos tipos de controladores (dinâmicas lentas) é importante para se obter o esperado realismo na simulação do sistema elétrico, principalmente durante a recomposição nos cenários de simulação do treinamento. Esta representação pode ser utilizada tanto para modelar esquemas especiais de proteção [2] como para modelar outros sistemas de controles (e.g. controle conjunto de geradores, controle automático de tensão, controle de taps entre outros), conforme a necessidade específica do treinamento proposto [3]. Portanto, a simulação do treinamento poderá incluir a modelagem de outros tipos sistemas de controles não considerados no TopSim.
O objetivo principal deste trabalho é apresentar uma proposta de modelagem de controladores a ser utilizada no treinamento de operadores, flexível o suficiente para aprimorar e tornar mais realistas os resultados obtidos na simulação do sistema elétrico nos cenários de treinamento.
Esta modelagem será realizada a partir dos chamados CDUs, implementada no novo simulador digital de redes elétricas para treinamento de operadores.
2. SIMULADOR PARA TREINAMENTO DE OPERADORES
A utilização do simulador de redes elétrica pelos operadores permite avaliar o comportamento do operador no seu ambiente de trabalho, tanto no ponto de vista dos procedimentos de operação como em termos de relacionamento com as outras pessoas da equipe de trabalho [4]. Além disso, o simulador permite diferentes tipos de aplicações, que são:
Análise do comportamento do sistema elétrico de potência;
Qualificação nas ferramentas do Sistema EMS (Sistemas computacionais, tais como:
Interface Gráfica, funções do SCADA, Gerenciamento de Alarmes e funções de Análise de Redes);
Conhecimento dos procedimentos de operação em situação normal, ou em emergência, ou recomposição do sistema;
Adaptação ao ambiente da sala de controle (confiança);
Aceleração da formação de experiência;
Reciclagem de operadores;
Treinamento preparatório para alterações futuras da rede elétrica;
Treinamento para o trabalho em equipe.
A Figura 1 apresenta a arquitetura de integração do Topsim, o qual simula o comportamento real de um sistema elétrico de potência a partir da solução de fluxo de potência da rede elétrica, comportamento dinâmico de longa duração, da curva de carga e dos controles simulados, tais como: set-point de geração, trip ou close de disjuntores, etc. A comunicação de dados entre o simulador e o SAGE EMS do treinando é realizada através de um protocolo de comunicação de dados da função do SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) do SAGE de forma a permitir a aquisição de dados e o controle do Sistema Elétrico de Potência, como ilustrado na Figura abaixo.
Figura 1 - Arquitetura Integração do TopSim
A tecnologia de integração entre o VisorTopSim e os aplicativos do Simulador utilizada foi o middleware de mensagens, que permite a troca de mensagens entre aplicativos de modo ponto-a-ponto [5]. Os aplicativos que compõem o Simulador são:
TopCases – Gerenciador de casos base da simulação;
TopAgc – Controle Automático de Tensão.
TopFlow – Solução da rede elétrica.
TopCdu – Monitoração e atuação de controladores definidos pelo usuário, que é o objeto deste trabalho.
TopEvent – Geração de eventos na simulação.
A Figura 2 apresenta a interface do instrutor, que a utiliza para o controle da simulação. A sua execução pode ser local ou remota com relação à máquina de execução do Simulador. Por meio desta interface, chamada VisorTopSim, o instrutor poderá criar ou carregar um cenário de simulação, que inclui o carregamento do caso base, curva de carga e eventos. Esta interface permite, ainda, a preparação de um caso base de fluxo de potência a partir de dados históricos, a ativação dos cenários de simulação e o controle da simulação (Iniciar, Parar, Suspender).
Figura 2 – Interface do Instrutor
O Ambiente do Treinando executa o sistema SAGE-Treinando com o comportamento semelhante ao tempo real. As mesmas funcionalidades SCADA/EMS e telas unifilares utilizadas no centro de operação estão disponíveis neste ambiente. O SAGE-Treinando permite ainda a integração com outros sistemas SCADA/EMS de diferentes fabricantes e a exportação de telas unifilares na Web, via browsers, para acompanhamento da sessão de treinamento pelas pessoas externas ao centro de operação, conforme ilustrado na Figura 3.
Figura 3 – Unifilar da Usina 11 em Browser
3. CONTROLADOR DEFINIDO PELO USUÁRIO
O Controlador Definido Pelo Usuário - CDU tem sua origem no programa Autoval [6], que foi utilizado pela ELETROBRAS e empresas do Setor Elétrico Brasileiro. A modelagem CDU permite a representação de sistemas de controle do sistema elétrico a partir de modelos predefinidos pelo usuário. Essa modelagem é amplamente utilizada nos programas computacionais Anatem [7] (Análise de Transitórios Eletromecânicos) e PacDyn (Análise e Controle de Oscilações Eletromecânicas em Sistemas de Potência ), também desenvolvidos pelo CEPEL.
O CDU oferece uma grande variedade de blocos elementares para a montagem dos controladores, tais como funções de transferência, funções lineares e não-lineares e operadores aritméticos, lógicos e chaves, conforme exemplos de blocos na Figura 4. Estes controladores podem ser construídos através de diagrama de blocos desenhado pelo programa auxiliar CDUEdit, desenvolvido pelo CEPEL. O diagrama também pode ser elaborado através do arquivo texto.
O presente trabalho transporta a funcionalidade CDUs para o simulador de redes elétricas para treinamento de operadores do SAGE, de forma a representar os controladores ou esquemas especiais de proteção do sistema elétrico na simulação. A modelagem dos controladores ou esquemas condicionais usuais pode ser feita utilizando apenas blocos elementares, dos tipos operadores aritméticos, lógicos e chaves, tais como: “soma”, “subtração”, “and”, “or”, “not”,
“maior que”, “menor que”, etc, ou por blocos dinâmicos como: PROINT, LEDLAG, POL(s).
Figura 4 – CDUEdit com o Diferentes Blocos
4. INTEGRAÇÃO DO CDU AO SIMULADOR
A integração da modelagem CDU ao Simulador para Treinamento de Operadores é implementada pelo aplicativo chamado TopCdu, sendo executado simultaneamente aos aplicativos do Simulador, conforme ilustrado na Figura 1. O TopCdu é responsável pelo monitoramento e atuação nos controladores ou esquemas especiais de proteção do sistema elétrico modelado no Simulador. O aplicativo TopCdu e o Simulador são executados no mesmo ambiente e a troca de informações entre eles é realizada através da base de dados, onde os dados analógicos são lidos periodicamente, os dados digitais são lidos por evento e os sinais de saída (ações de comando) são atualizados na base de dados quando há atuação dos controles ou esquemas. Toda vez que houver alguma ação de comando na base de dados, o Simulador fará o cálculo do fluxo de potência automaticamente. A Figura 5 apresenta o fluxograma do aplicativo TopCdu.
Figura 5 – Fluxograma do aplicativo TopCdu
A modelagem dos controladores ou esquemas especiais de proteção no Simulador é realizada através da configuração dos arquivos CDUs de maneira semelhante à configuração dos controles utilizada pelo programa Anatem [7], conforme o Caso Exemplo 1 apresentado na Figura 6.
Figura 6 – Modelagem do Esquema Condicional em CDU do Caso Exemplo 1
Adicionalmente, é necessário definir a correlação das variáveis de entrada e saída dos CDUs com o modelo de dados utilizados pelo SAGE, conforme apresentado na Figura 7. Ou seja, as variáveis de entrada do CDU estão associadas às medições digital ou analógica configuradas no SAGE. Já as variáveis de saída do CDU estão associadas às ações de comando que serão efetivadas na simulação da rede elétrica.
Figura 7 – Definição CDU x SAGE do Caso Exemplo 1
Estes dados são lidos durante a inicialização do aplicativo TopCdu, conforme ilustrado na Figura 5. Em seguida, a cada ciclo de execução, de 1 segundo, a solução dos CDUs é executada a partir dos sinais de entrada lidos da base de dados, e consequentemente, uma ação de comando poderá ser efetuada na simulação, como abertura de um equipamento ou set-point de uma geração, de acordo com a definição do esquema de proteção.
5. RESULTADOS
Os resultados apresentados neste trabalho permitem avaliar a integração mencionada, considerando o desempenho e a adequação da implementação. Na obtenção destes resultados, uma rede elétrica exemplo, contendo 65 barras e 5 usinas, cujo diagrama unifilar é
apresentado na Figura 8, foi utilizada para avaliar tanto o esquema especial de proteção como os controladores de dinâmica lenta a partir de CDUs.
Figura 8 - Sistema Teste de 65 Barras e 5 Usinas
Os resultados apresentados a seguir foram criados em um ambiente de testes. Este ambiente consiste de um simulador digital de redes elétricas (TopFlow), gerenciador de casos bases (TopCases), Interface do Instrutor (VisorTopSim) e o monitorador dos CDUs (TopCdu), conforme a Figura 9.
Figura 9 – Arquitetura de Testes da Integração
5.1. Esquemas Especiais de Proteção
O resultado da modelagem do esquema especial de proteção via CDU foi extraído do trabalho [2], que consiste do corte de geração para perda de um circuito. Portanto, um esquema foi elaborado em CDU descrevendo o corte de geração na usina US01 quando ocorre a perda de um dos circuitos entre as barras 10 e 13 do sistema teste de 65 barras em situações
determinadas de fluxo de potência nessas linhas. A Figura 10 apresenta o diagrama lógico desse Esquema.
Figura 10 – Esquema de corte de geração em US01 para perda de um dos circuitos - 10 e 13 O aplicativo TopCdu foi ativado considerando a modelagem deste esquema em CDU, a configuração das medidas analógicas e digitais de entradas e as ações de saída associadas a esse CDU. O simulador da rede elétrica também foi ativado.
Após a geração do evento de desligamento de um circuito entre a barra 10 e 13 no ambiente de simulação, o esquema modelado em CDU atuou, porque o Fluxo 4-7 ficou no valor de 2.335 MW, maior que o limite de 2.252 MW e menor que 2.572 MW, provocando assim o corte de uma unidade da US1, conforme resultado apresentado na Figura 11. Após a atuação do Esquema, o Fluxo 4-7 passou para o valor de 1961 MW e a usina US01 ficou com 5 unidades geradoras de 375 MW cada conectadas.
Figura 11 – Atuação do esquema de corte de geração - US01 para perda de circuitos - 10 e 13
5.2. Controladores Dinâmicos
O objetivo dos testes a seguir é avaliar o comportamento dos controladores dinâmicos. Para isto, somente o aplicativo TopCdu foi executado, ou seja, o aplicativo TopFlow (Simulador da rede elétrica) não foi executado nos testes deste item. A Figura 12 apresenta a configuração em CDU dos blocos PROINT (saída X1), WSHOUT (X2), LEDLAG (X3) e LEDLAG2 (X4). Este CDU faz parte dos exemplos disponibilizados pelo Anatem no contexto Anacdu, que permite a execução da simulação do sistema de controle definido pelo usuário de forma independente da rede elétrica.
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Figura 12 – Controladores Dinâmicos
Os gráficos a seguir apresentam resultados comparativos entre TopCdu, aplicativo do Simulador TopSim do SAGE, com o Anatem executado no contexto Anacdu. Houve uma alteração na entrada no valor de 1 no instante 3 segundos durante a simulação.
Os gráficos gerados pelo Anatem (curva em vermelho) foram traçados pelo PlotCepel e os gráficos gerados pelo TopCdu (curva em azul) foram traçados pelo VisorChart do SAGE.
Figura 13 - Comparação do resultado do bloco PROINT no Anatem com TopCdu
Figura 14 - Comparação do resultado do bloco WSHOUT no Anatem com TopCdu
Figura 15 - Comparação do resultado do bloco LEDLAG no Anatem com TopCdu
Figura 16 - Comparação do resultado do bloco LEDLAG2 no Anatem com TopCdu Observando as Figuras 13 a 16, verifica-se que os resultados dos sinais de saída de cada bloco dinâmico gerados pelo TopCdu apresentam resultados semelhantes aos sinais de saída gerados pelo Anatem. Isto comprova a viabilidade do uso dos blocos dinâmicos pelo aplicativo TopCdu numa simulação dinâmica de longa duração.
5.3. Controle de Tensão
O objetivo deste teste é modelar um controle de tensão em CDU para as unidades geradoras da Usina 11, mostrada na Figura 3, para isto, os aplicativos TopCdu e o TopFlow foram executados.
O controle de tensão possui um bloco de entrada (VB), que é a medição da tensão terminal da unidade geradora, e outro bloco de entrada (VREF), que é a tensão de referência atribuída pelo operador, conforme ilustrado na Figura 17. O bloco de saída (VSAI) é o valor set-point a ser encaminhado ao TopFlow. O bloco de banda morta está com a configuração de +/- 1.0 e o bloco PROINT com Kiv igual a 0,1 e Kpv igual a 0,01.
Figura 17 – Controle de Tensão
A Figura 18 apresenta o comportamento dinâmico do controle de tensão (curva verde) para a variação da tensão de referência alterada para o teste (curva azul). Como o WallTrend (aplicativo do SAGE) atualiza os valores a cada 1 segundo, alguns pontos podem ter uma quebra no traçado.
Figura 18 – Controle de Tensão da Unidade 1 da Usina 11
Nota-se que a tensão da unidade se aproxima ao valor de referência de acordo com o controle de tensão configurado. Este comportamento do controle pode ser alterado a partir de alteração na configuração dos blocos de controle e de acordo com o desejo do usuário.
5.4. Controle de Potência
O objetivo deste teste é modelar um controle de potência em CDU para as unidades geradoras da Usina 11, conforme Figura 3. Para isto, os aplicativos TopCdu e o TopFlow devem ser executados.
O controle de potência possui um bloco de entrada (PGER), que é a medição da potência ativa no terminal da unidade geradora, e outro bloco de entrada (PREF), que é a potência ativa de referência atribuída pelo operador, conforme ilustrado na Figura 19. O bloco de SAÍDA (PSAI) é o valor de set-point a ser encaminhado ao Simulador de redes. O bloco GANHO está configurado com KP igual a 1.0 e o bloco POL(S) configurado no numerador somente com N0 = 1 e no denominador com D1 = 1, D2 = 1 e D3 = 1 e os outros parâmetros estão zerados. O sinal de saída do POL(s) está limitado por um bloco limitador.
Figura 19 – Bloco Polinomial com limitador
O teste consiste em verificar o comportamento do controle de potência na Usina 11 com um aumento de carga na barra 23 de 202 MW para 300 MW, conforme indicado na Figura 20.
Figura 20 – Unifilar 65 Barra para controle de potência
A Figura 21 apresenta as curvas de carga ativa da barra 23 (verde), de frequência do sistema (amarelo), de potência ativa gerada (azul ciano) e de potência ativa de referência (rosa) da unidade geradora. O gráfico apresenta as informações sem e com o controle de potência ativado. Nota-se que, no período de tempo sem controle de potência, a potência ativa gerada aumenta com o acréscimo da carga de 98 MW e a potência ativa gerada diminui com o decréscimo da carga, e que, no período de aumento de carga, a frequência diminuiu. No entanto, no período de tempo com controle de potência ativo, observa-se que a potência ativa gerada fica em torno da potência ativa de referência, porque o controle de potência tenta manter a potência ativa gerada em torno da potência referência. Neste período de acréscimo de carga, a frequência do sistema diminui, mas oscila devido ao controle de potência na unidade geradora. Como o WallTrend atualiza os valores a cada 1 segundo, alguns pontos podem ter uma quebra no traçado.
Aumento de carga para 300 MW.
Usina 11
Controle de Potência.
Figura 21 – Controle de Potência da unidade 1 da Usina 11
6. CONCLUSÃO
Este artigo apresentou a utilização de CDU (Controladores Definidos pelo Usuário) em um Simulador para Treinamento de Operadores. Foi visto que a modelagem dos Esquemas Especiais de Proteção e dos controladores, implementados no módulo TopCdu, possibilitou resultados realistas na simulação do sistema elétrico nos cenários de treinamento de operadores.
A modelagem foi baseada na integração da funcionalidade CDU ao Simulador Topsim do sistema SAGE EMS para a realização da monitoração e atuação dos controladores do sistema elétrico. Com isto, os instrutores poderão incorporar os controles e esquemas especiais do sistema elétrico no Simulador de treinamento através de diagramas de blocos.
Testes realizados com o sistema exemplo de 65 barras, com diferentes pontos de operação e controladores, demonstraram a viabilidade da modelagem baseada na integração do CDU ao Simulador Topsim, com desempenho adequado para operação em ambiente de treinamento e com melhoria significativa do nível de representatividade do treinamento dos operadores do sistema.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] M. R. Costa, L. A. C. Pereira, J. M. T. Alves, “A importância e a Evolução das Funções de Análise de Redes no Sistema de Supervisão e Controle”, VIII EDAO, Recife, PE, Março, 2005.
[2] M. R. Costa, R. Baitelli, “Modelagem dos Esquemas Especiais de Proteção Utilizada no Simulador para Treinamento de Operadores”, XII SIMPASE, Rio de Janeiro, RJ, Agosto, 2017.
SEM controle de potência. COM controle de potência.
[3] F. Trevisan, P. Neis, F. V. Muggiati, M. R. K. Lino, M. R. Hahn, H. G. Ribeiro, R. A. Oliveira, M. C. Spricigo, “Desenvolvimento de Modelos de Simulação de Equipamentos de Planta para Treinamento de Equipes de Operação em Tempo Real”, XIV EDAO, São Paulo, SP, Novembro, 2016.
[4] M. R. Costa, C. B. Gomes, “Simulação para Treinamento de Operadores: Tendência e Evolução”, IX EDAO, Rio Quente, GO, Março, 2007.
[5] A. G. Lages, L.C. Lima, “Arquiteturas e Tecnologias para Integração de Informações Corporativas e de Centros de Controle em Empresas de Energia Elétrica”, XIII SEPOPE, Foz do Iguaçu, PR, Maio, 2014.
[6] N. Martins, R. Baitelli, “Programa de Autovalores Para Sistemas de Potência Multimáquina com possibilidade de Representar Controladores de Qualquer Ordem e Topologia.” In: II Congresso Latino Americano de Automática, 1986.
[7] CEPEL, "ANATEM - Programa de Análise de Transitórios Eletromecânicos - Version 11.1 - Manual do Usuário", Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2016.
BIOGRAFIAS DOS AUTORES
MARCELO ROSADO DA COSTA é Engenheiro Eletricista, graduado pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1993, com Mestrado em Ciências pela COPPE-UFRJ em 1998. Trabalha na empresa CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica) desde 1996, atuando na área de desenvolvimento de aplicações computacionais de análise de redes no SAGE – Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia, desenvolvido pelo CEPEL. Suas áreas de interesse para pesquisa incluem algoritmos de análise de redes, sistemas de supervisão e controle, simulador para treinamento de operadores e sistema de gerenciamento de energia.
E-mail: rosado@cepel.br Fone: (21) 2598-6449
ROBERTO BAITELLI é Engenheiro Eletricista, graduado pela Universidade Católica de Petrópolis em 1977, com Mestrado em Ciências pela COPPE-UFRJ em 1979. Trabalha empresa CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica) desde 1978, atuando no desenvolvimento do CDU (Controladores Definidos pelo Usuário) no programa ANATEM para Análise de Transitórios Eletromecânicos de 1990 à 1995. A área de interesse atual reside em confrontar o uso da abordagem algorítmica de solução usada no ANATEM com uma abordagem interativa de solução usando o CDU integrado ao SAGE.
E-mail: baitelli@cepel.br Fone: (21) 2598-6027
