Arquitetura de agentes para suporte à análise de perturbações em geradores síncronos

Texto

(1)U ´ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA. Jonas Roberto Pesente. ` ARQUITETURA DE AGENTES PARA SUPORTE A ´ ˜ ANALISE DE PERTURBAC ¸ OES EM GERADORES S´ INCRONOS. Florianópolis 2018.

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(6) . ` ARQUITETURA DE AGENTES PARA SUPORTE A ´ ˜ ANALISE DE PERTURBAC ¸ OES EM GERADORES ´ SINCRONOS. Tese submetida ao Programa de P´ os Gradua¸ca õ em Engenharia Elétrica para a obten¸ca õ do Grau de Doutor em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Miguel Moreto. Florianópolis 2018.

(7) Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor, através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.. Pesente, Jonas Roberto Arquitetura de Agentes para Suporte à Análise de Perturbações em Geradores Síncronos / Jonas Roberto Pesente ; orientador, Miguel Moreto, 2018. 229 p. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018. Inclui referências. 1. Engenharia Elétrica. 2. Análise de Perturbações. 3. Proteção de Geradores Síncronos. 4. Sistemas Multiagente. I. Moreto, Miguel. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. III. Título..

(8) J . ` ARQUITETURA DE AGENTES PARA SUPORTE A ´ ˜ ANALISE DE PERTURBAC ¸ OES EM GERADORES ´ SINCRONOS Esta Tese foi julgada aprovada para a obten¸cão do T´ıtulo de “Doutor em Engenharia Elétrica”, e aprovada em sua forma final pelo Programa de P´ os Gradua¸cão em Engenharia Elétrica. Florianópolis, 24 de agosto 2018.. Prof. Dr. Bartolomeu Ferreira Uchoa Filho Coordenador Banca Examinadora:. Prof. Miguel Moreto (Presidente) Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Ghendy Cardoso Junior Universidade Federal de Santa Maria. Prof. Rodrigo de Andrade Ramos Universidade de São Paulo. Prof. Jomi Fred Hubner Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Diego Issicaba Universidade Federal de Santa Catarina.

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(10) E.

(11) . e Igor Soares.

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(13) R. A an´ alise de perturba¸c˜ oes envolvendo geradores s´ıncronos é uma atividade que possui um conjunto de processos rotineiros, e que dispõem de dados digitalizados. Embora a necessidade de automa¸cão desses processos tenha sido manifestada, esta atividade ainda é executada de forma manual. Sobretudo, a maior parte das publica¸cões aborda prote¸cões de linha de transmiss˜ ao, o que torna imprescind´ıvel o desenvolvimento de pesquisas orientadas aos geradores s´ıncronos. Neste contexto, esta tese propõe uma arquitetura para implementa¸cão de software para an´ alise automática de perturba¸cões envolvendo geradores s´ıncronos. Este método é orientado ao paradigma computacional multiagente e disposto como uma sistemática das funcionalidades a serem codificadas em cada módulo, assim como de seus relacionamentos. Os sistemas multiagente foram utilizados de forma que os softwares desenvolvidos baseados nesta sistemática sejam compat´ıveis com estratégias de gerenciamento de redes que têm sido produzidas no contexto das smart grids, e também para explorar os benef´ıcios que o paradigma disp˜ oe para o processamento de oscilografias. Baseado na sistem´ atica desenvolvida, um protótipo foi implementado e foram realizados experimentos computacionais na base de dados de Itaipu. A arquitetura proposta inclui ferramentas de classifica¸cão de registros oscilogr´ aficos, avalia¸cão da performance da prote¸cão e do desempenho dinˆ amico dos geradores s´ıncronos a partir da análise de oscila¸cões eletromecˆ anicas e da reprodu¸cão de eventos por simula¸cão h´ıbrida. As ferramentas selecionadas para codifica¸cão do protótipo, com base na an´ alise da revis˜ ao bibliográfica, foram o interpretador JASON na instância de agentes, a infraestrutura CArtAgO para o ambiente, e o modelo Moise+ para a organiza¸cão, de forma que abrangeu-se todas as instˆ ancias do paradigma vogal. A arquitetura e o uso de todas as instˆ ancias do paradigma multiagente são as inova¸cões deste trabalho. Os experimentos foram estruturados em se¸cões de avalia¸cão da precisão das ferramentas, casos de perturba¸cões ocorridas durante a opera¸cão do prot´ otipo, e estudos para ilustrar a potencialidade do uso da computa¸c˜ ao multiagente, evidenciando os benef´ıcios da proposta e demonstrando seu bom desempenho. Palavras-chave: An´ alise de Perturba¸cões. Prote¸cão de Geradores S´ıncronos. Sistemas Multiagente..

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(15) A!"#$A%#. The analysis of disturbances affecting synchronous generators is an activity that presents a set of routine processes which uses digital data. Although the need for automation of these processes has been proposed, and considering the importance of synchronous generators, most publications on data processing oriented to disturbance analysis addressed to the protection of transmission lines. In this context, this thesis proposes a method for deploying software for automatic disturbance analysis affecting synchronous generators. This method is oriented to the multi-agent computational paradigm, and presented as a systematic of the functionalities to be codified in each module. The multi-agent systems were used to allow the software developed based on this systematic to be compatible with the softwares that have been produced in the context of the smart grids, and also to exploit the potential benefits that the paradigm presents for the processing of databases such as those composed of oscillography records. The coding tools selected for the development of the systematics, based on the analysis of the bibliographic review, were the JASON interpreter for agents, the CArtAgO infrastructure for the environments, and the Moise+ model for the organization of the agents, so that all functionalities of the vowel paradigm could be explored. Based on the systematics developed, a prototype was implemented and a set of computational experiments were performed using the records database of Itaipu power plant. The systematic proposal includes tools for classification of the oscillographic records, evaluation of the performance of protection and dynamic of synchronous generators. The experiments were organized to highlight the capacity of automating disturbance analysis, in the sections of the evaluation of the algorithms accuracy, cases of disturbances which have occurred during the operation of the prototype, and studies to illustrate the benefits of using multi-agent computing in the automation of disturbance analysis involving synchronous generators. Keywords: Disturbance Analysis. Synchronous Generator Protection. Multiagent Paradigm..

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(17) L&'() *+ ,&-./)'. Figura 1 Fluxo da informa¸cão sensoriada até os processos da ind´ ustria dos SEE. Fonte: (Autor, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figura 2 Fluxo de potência registrado e simulado na interliga¸cão Calif´ ornia-Oregon. Fonte: [Kosterev, Taylor e Mittelstadt 1999]. . . 25 Figura 3 Ilustra¸c˜ ao de segmenta¸cão de corrente por TW. Fonte: (Autor, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Figura 4 Diagrama funcional das a¸cões desempenhadas na avalia¸c˜ ao da atua¸c˜ ao dos dispositivos de prote¸cão adotadas neste trabalho. Fonte: (Autor, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Figura 5 Esquema geral de prote¸cão de geradores. Fonte: (Autor, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Figura 6 Caracter´ıstica de corrente da prote¸cão diferencial percentual. Fonte: (Autor, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 ´ Figura 7 Area de opera¸cão da prote¸cão de perda de excita¸cão. Fonte: (Autor, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Figura 8 Determina¸c˜ ao da existência de oscila¸cões eletromecˆ anicas e da janela para aplica¸caõ do método de Prony. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Figura 9 Diagrama esquemático para automa¸cão da estima¸cão modal empregando registros de geradores s´ıncronos. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Figura 10 Esquema de simula¸cão h´ıbrida empregando um gerador (adaptado de (KOSTEREV, 1999)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Figura 11 Esquema geral do método de redu¸cão de erro de sa´ıda por modifica¸c˜ ao paramétrica (adaptado de (KARAYAKA, et al., 1999)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Figura 12 Diagrama esquemático para automa¸cão da simula¸cão dinâmica h´ıbrida empregando registros de geradores s´ıncronos. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Figura 13 Diagrama esquemático para automa¸cão da configura¸cão e execu¸c˜ ao de simula¸c˜ oes de estabilidade à pequenas perturba¸cões. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Figura 14 Diagrama para automa¸cão da configura¸cão e execu¸cão de simula¸c˜ oes de estabilidade transitória. Fonte: (Autor, 2017). . . . 63 Figura 15 Ilustra¸c˜ ao do ciclo de racioc´ınio dos agentes implementa-.

(18) d01 23 45678 9:d:;<:d0 d2 =>0?d@B@C DF GHB2? 2 I00Kd?@dM2 NOOPQST PU Figura 16 Modelo de ambiente institu´ıdo pelo CArtAgO (adaptado de [Ricci, Piunti e Viroli 2011]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Figura 17 Ilustra¸c˜ ao do benef´ıcio do uso de SMA na prote¸cão de distância. Fonte: (Autor, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Figura 18 Ilustra¸c˜ ao dos conceitos de zona diferencial de retaguarda e robustez ` a falha de TC (adaptado de (SHENG, et al., 2010)). . . . 84 Figura 19 Critério de localiza¸cão de faltas em estudos de SMA na gestão de sistemas de prote¸cão por sobrecorrente (adaptado de (MAIOLA, 2014)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Figura 20 Ilustra¸c˜ ao do efeito do gerenciamento de al´ıvio de carga por SMA para melhoria da estabilidade de frequência (adaptado de (JUNG, et al., 2002)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Figura 21 Efeito de a¸c˜ oes para melhoria da estabilidade de tensão (adaptado de (LIU, et al., 2014)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Figura 22 Ilustra¸c˜ ao do efeito da gestão de a¸cões de al´ıvio de gera¸cão para estabilidade transit´ oria (adaptado de (RAHMAN, et al., 2012)). 88 Figura 23 M´ odulos do SMA PEDA. Fonte: [Hossack et al. 2003] . . 90 Figura 24 Classifica¸c˜ ao proposta para o panorama atual dos estudos da aplica¸c˜ ao de SMA na prote¸cão de sistemas elétricos. Fonte: (Autor, 2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Figura 25 Diagrama esquem´ atico da proposta do sistema de análise pós-operativa. Fonte: (Autor, 2017).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Figura 26 Diagrama esquem´ atico do fluxo geral de execu¸cões do sistema proposto. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Figura 27 Fases da comunica¸c˜ ao entre camadas de agentes. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Figura 28 Diagrama de objetivos do sistema. Fonte: (Autor, 2017).100 Figura 29 Funcionalidades do sistema. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . 101 Figura 30 Especifica¸c˜ ao estrutural da organiza¸cão da arquitetura. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Figura 31 Especifica¸c˜ ao funcional da organiza¸cão da arquitetura. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Figura 32 Especifica¸c˜ ao normativa da organiza¸cão da arquitetura. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Figura 33 Diagrama de classes em UML para os métodos codificados como objetos na arquitetura. Fonte: (Autor, 2016).. . . . . . . . . . . 105 Figura 34 Diagrama de modelagem do ambiente da arquitetura..

(19) VWXYZ[ \]^YW_` abcefg g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g cbe Figura 35 Fluxograma esquemático das a¸cões executadas na a¸cão PRO. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Figura 36 Intera¸c˜ oes entre os agentes. Fonte: (Autor, 2016).. . . . . . 109 Figura 37 Plano de inicia¸cão do agente. Fonte: (Autor, 2016) . . . . 110 Figura 38 Plano de subscri¸cão do agente. Fonte: (Autor, 2016) . . . 112 Figura 39 Plano de verifica¸cão de registros. Fonte: (Autor, 2016) . 114 Figura 40 Plano de processamento de registro oscilográfico. Fonte: (Autor, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Figura 41 Plano de difus˜ ao de falta. Fonte: (Autor, 2016) . . . . . . . . 117 Figura 42 Plano de execu¸cão de a¸cões auxiliares. Fonte: (Autor, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Figura 43 Plano de comunica¸cão. Fonte: (Autor, 2016) . . . . . . . . . . . 118 Figura 44 Plano de consolida¸cão das análises. Fonte: (Autor, 2016)119 Figura 45 Plano de reda¸cão da s´ıntese. Fonte: (Autor, 2016) . . . . . 120 Figura 46 Plano de arquivamento. Fonte: (Autor, 2016) . . . . . . . . . . 120 Figura 47 Estrutura dos agentes customizada a planta de teste. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Figura 48 Trajet´ oria P-Q de um gerador de Itaipu durante abertura intempestiva de disjuntor de campo. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . 128 Figura 49 Tens˜ oes de fase e residual do gerador 13 em 23/02/2010. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Figura 50 Corrente dos geradores de Itaipu no evento de 22/09/2015. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Figura 51 Redu¸c˜ ao das diferen¸cas de P e Q simulada e registrada por calibra¸c˜ ao de parˆ ametros do gerador. Fonte: (Autor, 2017). . . 135 Figura 52 Corrente do gerador 9 no evento de 30/08/2014. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Figura 53 Potência dos geradores na perturba¸cão de 30/08/2014. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Figura 54 Diferen¸ca de fase entre as tensões do gerador 9 e do sistema elétrico. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Figura 55 Sistema de transmissão de 765kV conectado à Itaipu 60Hz. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Figura 56 Correntes dos geradores 12, 14 e 17 na perturba¸cão de 17/10/2016. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Figura 57 Registros produzidos em Itaipu no evento de 22/09/2015..

(20) hijklm nopkiqr stuvwx x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x uyt Figura 58 Estado dos agentes após o evento 1. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Figura 59 Estado do agente G12 após o evento 2. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Figura 60 Ilustra¸c˜ ao do processamento do registro de per´ıodo dinâmico pelo agente I01, no evento 7. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . 142 Figura 61 Comunica¸c˜ ao dos agentes na análise da perturba¸cão de 22/09/2015. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Figura 62 Ilustra¸c˜ ao da execu¸cão da a¸cão de consolida¸cão pelo agente A01. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Figura 63 Ilustra¸c˜ ao do atraso acumulado de processamento. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Figura 64 Compara¸c˜ ao do atraso acumulado processando registros com 1 e 10 threads. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Figura 65 Inser¸c˜ ao de uma nova camada de agentes. Fonte: (Autor, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Figura 66 Efeito do gerenciamento do modo de opera¸cão do sistema multiagente. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Figura 67 Ilustra¸c˜ ao da expans˜ ao do n´ umero de agentes durante a execu¸cão dos sistema. Fonte: (Autor, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Figura 68 Compara¸c˜ ao da trajetória de potência elétrica de Itaipu simulada e da resposta do modelo obtido pelo método de Prony. . . 183 Figura 69 Esquema geral de solu¸cão algébrico-diferencial das equa¸cões do sistema de energia elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Figura 70 Sistema-teste usado para exemplificar os resultados obtidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Figura 71 Parˆ ametros dos reguladores de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Figura 72 Compara¸c˜ ao entre Anatem e o algoritmo implementado.195 Figura 73 Sistema-teste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Figura 74 Compara¸c˜ ao da resposta em frequência de ∆ω/∆VREF 206 Figura 75 Ilustra¸c˜ ao de grandezas medidas que podem ser utilizadas na simula¸c˜ ao dinˆ amica h´ıbrida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Figura 76 Ajuste de trajet´ orias após simula¸cão dinâmica h´ıbrida. . 213 Figura 77 Conjunto de dados ilustrativo da aplica¸cão da rotina de a´rvores de decis˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 ´ Figura 78 Arvore de decis˜ ao resultante da aplica¸cão do treinamento no conjunto-exemplo de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.

(21) z{|}~ }~z~|. Tabela 1 Tipo de registros e propósito na análise de perturba¸cões. 40 Tabela 2 Regras para identifica¸cão de ocorrências. . . . . . . . . . . . . . . 51 Tabela 3 Regras para classifica¸cão de oscilografias. . . . . . . . . . . . . . . 51 Tabela 4 Exemplo de rotina de configura¸cão de organiza¸cão a partir do Moise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Tabela 5 Plano de inicia¸cão do sistema multiagente . . . . . . . . . . . . . 111 Tabela 6 Plano de subscri¸cão dos agentes das instâncias inferiores112 Tabela 7 Plano de atualiza¸cão de subscri¸cão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Tabela 8 Plano de encerramento de subscri¸cão . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Tabela 9 Plano de verifica¸cão de novos Registros Oscilográficos . . 114 Tabela 10 Plano de processamento e análise de dados . . . . . . . . . . . . 115 Tabela 11 Plano de difusão das informa¸cões de falta . . . . . . . . . . . . . . 116 Tabela 12 Plano de An´ alises Complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Tabela 13 Plano de Comunica¸cão de Inferências entre agentes . . . . 118 Tabela 14 Plano de consolida¸cão das análises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Tabela 15 Plano de gerenciamento dos arquivos produzidos. . . . . . . 120 Tabela 16 Ajuste das prote¸cões dos geradores da planta de teste . . 124 Tabela 17 Compara¸c˜ ao da classifica¸cão manual e automática de registros de curta dura¸c˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Tabela 18 Classifica¸c˜ ao da base de dados de registros de curta dura¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Tabela 19 Compara¸c˜ ao dos eventos simulados e obtidos por análise autom´ atica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Tabela 20 Perturba¸c˜ oes processadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Tabela 21 Eventos produzidos na avalia¸cão da perturba¸cão do dia 23/02/2010. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Tabela 22 Eventos produzidos na perturba¸cão de 22/09/2015. . . . . 134 Tabela 23 Resultado da execu¸cão da rotina de calibra¸cão. . . . . . . . . 134 Tabela 24 Modos calculados da lineariza¸cão e estimados pelo método de Prony. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Tabela 25 Parˆ ametros do Gerador #1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Tabela 26 Parˆ ametros do Gerador #2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Tabela 27 Parˆ ametros do Gerador #1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197.

(22) Tabela 29 Compara¸c˜ ao dos autovalores do sistema . . . . . . . . . . . . . . . 206 Tabela 30 Parˆ ametros do gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Tabela 31 Sensibilidade da trajetória dos parâmetros no caso simulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Tabela 32 Parˆ ametros calibrados de forma sequencial. . . . . . . . . . . . . 212 Tabela 33 Calibra¸c˜ ao empregando ajuste simultâneo . . . . . . . . . . . . . 212.

(23) ¡. SEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 GD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 SER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 ERAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 ECE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 ECS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 MBD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 SER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 DFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 IED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 PQM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 HVDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 SVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 DR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 PMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 COMTRADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 DFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 FK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 MMQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 TW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 CART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 KNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 TP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 PRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.

(24)

(25) ´ ¢£¤ARIO 1 1.1 1.2 1.3 1.4 2 2.1 2.1.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 3 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4. ˜ INTRODUC ¸ AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ˜ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 MOTIVAC ¸ AO OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 ESCOPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 ESTRUTURA DA TESE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 ´ ´ ˜ ANALISE AUTOMATICA DE PERTURBAC ¸ OES ˜ . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 EM PLANTAS DE GERAC ¸ AO ´ ˜ ANALISE DE PERTURBAC ¸ OES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Estrutura da An´ alise de Perturba¸ co ˜es . . . . . . . . . . . . . 32 REDES DE OSCILOGRAFIA E FERRAMENTAS DE PROCESSAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 ´ ˜ DE GEANALISE DO DESEMPENHO DA PROTEC ¸ AO RADORES USANDO REGISTROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Prote¸ c˜ ao de Geradores S´ıncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Classifica¸ c˜ ao de Registros Oscilogr´ aficos para Avalia¸ c˜ ao da Prote¸ c˜ ao de Geradores S´ıncronos . . . . . . . . 50 Modelagem e Avalia¸ c˜ ao de Fun¸ c˜ oes de Prote¸ c˜ ao de Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ´ ˆ ANALISE DO DESEMPENHO DINAMICO DE GERA´ ´ DORES SINCRONOS USANDO REGISTROS OSCILOGRAFICOS 57 An´ alise do Amortecimento de Oscila¸ co ˜es Eletromecˆ anicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Calibra¸ c˜ ao de Modelo de Geradores empregando Simula¸ c˜ ao H´ıbrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Prepara¸ c˜ ao de casos para simula¸ c˜ ao dinˆ amica de perturba¸ co ˜es registradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 ˜ CONSIDERAC ¸ OES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 SISTEMAS MULTIAGENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 CONCEITOS GERAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 ARQUITETURA DOS AGENTES, MODELO BDI E COMUNICA˜ ENTRE AGENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 C ¸ AO METODOLOGIAS DE PROJETO DE SMA . . . . . . . . . . . 68 Linguagens de programa¸ c˜ ao de agentes . . . . . . . . . . . . 70 Programa¸ c˜ ao de Ambientes e CArtAgO . . . . . . . . . . . 74 ˜ CONSIDERAC ¸ OES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80.

(26) ¥. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 5. 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3. 6.3 6.3.1 6.3.2. ˜ DE SISTEMAS MUL¦§¨©ª«§ ª¦ ¬®¯°¬° ± AO ˜ TIAGENTE NA PROTEC ¸ AO DOS SISTEMAS ´ DE ENERGIA ELETRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 ˜ PROTEC ¸ AO COOPERATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Prote¸ c˜ ao de distˆ ancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Prote¸ c˜ ao diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 ˜ SISTEMICA ˆ PROTEC ¸ AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Estabilidade de Frequˆ encia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Estabilidade de Tens˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Estabilidade Transit´ oria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 An´ alise P´ os Operativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 ˜ DA REVISAO ˜ BIBLIOGRAFICA ´ DISCUSSAO . . . . . . . . . 91 ˜ ARQUITETURA DE AGENTES PARA A AUTOMAC ¸ AO ´ ˜ DA ANALISE DE PERTURBAC ¸ OES EM PLAN˜ TAS DE GERAC ¸ AO: ABORDAGEM JACAMO . 95 ˜ GERAL DA ARQUITETURA . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 VISAO PROJETO DO SISTEMA MULTIAGENTE . . . . . . . . . . . . 99 Modelagem da Organiza¸ c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Modelagem do Ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Intera¸ co ˜es entre Agentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Modelagem dos Agentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Aspectos acerca da concatena¸ c˜ ao dos agentes, do ambiente e da organiza¸ c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 ˜ CONSIDERAC ¸ OES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 EXPERIMENTOS COMPUTACIONAIS E CASOS DE ESTUDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 ˜ DO PROTOTIPO ´ DESCRIC ¸ AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 ˜ EXPERIMENTOS DE AVALIAC ¸ AO DAS FERRAMENTAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Precis˜ ao da classifica¸ c˜ ao dos registros de curta dura¸ c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Avalia¸ c˜ ao dos modelos de prote¸ c˜ ao a partir de simula¸ co ˜es de falta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Avalia¸ c˜ ao da automa¸ c˜ ao das ferramentas de estima¸ c˜ ao modal, simula¸ c˜ ao dinˆ amica h´ıbrida e estabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 ˜ RESULTADOS PRODUZIDOS EM PERTURBAC ¸ OES . . 130 Desligamento de um gerador pela atua¸ c˜ ao da prote¸ c˜ ao contra falha ` a terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Curto Circuito em barramento e desligamento de 4 geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.

(27) ²³´³´ µ¶·¸¹º¶»¼½ ¾½ ¾¿ÀÁÂ»¼½Ã ·½º Ä¶Ã¹¾½Ã Å½Ã¹ ¾¶ À¿»Æ cronismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Atua¸ c˜ ao do Sistema Especial de Prote¸ c˜ ao associado ao sistema de transmiss˜ ao de 765kV . . . . . . . . . . 6.4 EXPERIMENTOS RELACIONADOS AO PARADIGMA COMPUTACIONAL DE AGENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Opera¸ c˜ ao do Prot´ otipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Processamento de registros usando computa¸ c˜ ao serial e paralela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Uso da organiza¸ c˜ ao para expans˜ ao do sistema . . . . . 6.4.4 Altera¸ c˜ ao do estado do sistema para priorizar processamento de registros de falta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ 6.5 CONSIDERAC ¸ OES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ 7 CONCLUSOES E TRABALHOS FUTUROS . . . . 7.1 TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˆ REFERENCIAS ............................... ˆ APENDICE A -- Trabalhos desenvolvidos para divulga¸ c˜ ao dos estudos realizados na tese . . . . . . . . . . ˆ APENDICE B -- Ferramentas codificadas . . . . . . . . ˆ APENDICE C -- C´ odigo dos Agentes . . . . . . . . . . . .. 135 138 139 139 145 146 147 150 151 153 155 177 181 219.

(28)

(29) ÇÈ. ˜ 1 INTRODUC ¸ AO ˜ 1.1 MOTIVAC ¸ AO Estima-se que 14,58% de toda energia primária mundial foi convertida em energia elétrica para utiliza¸cão da humanidade em 2012 (EIA, 2014). Esta significativa e crescente participa¸cão em compara¸cão aos demais recursos combust´ıveis se deve à composi¸cão das qualidades de seu relativo baixo custo de gera¸cão, elevada eficiência de transmissão, seguran¸ca na utiliza¸c˜ ao, e alta confiabilidade dos sistemas encarregados de ger´ a-la, transmiti-la e distribu´ı-la [Saadat 1999]. Sobretudo, o desenvolvimento de tecnologias renováveis de gera¸cão tais quais a eólica, a biomassa e a solar, certamente promoverá o aumento de tal propor¸cão (EIA, 2014). De fato, desde 1882, quando a eletricidade deixou de ser utilizada exclusivamente de forma experimental, seu emprego se ampliou até o atendimento de praticamente todos os processos fabris e residenciais das sociedades contemporâneas industrializadas, passando por um crescimento gradual e cont´ınuo desde o atendimento inicial ilhado de comunidades a amplos sistemas interligados. Durante este processo de instala¸cão da infraestrutura de gera¸caõ, transmiss˜ ao, distribui¸c˜ ao e estabelecimento de interliga¸cões, numerosos fenômenos foram observados, investigados, equacionados e tratados. Parcela consider´ avel destes fenômenos foi atestada através de registradores das grandezas elétricas dos equipamentos componentes dos Sistemas de Energia Elétrica (SEE) destacando sua relevância no processo de melhoria dos SEEs. A instrumenta¸c˜ ao e o sensoriamento dos sistemas elétricos estão intimamente relacionados aos processos de aumento da confiabilidade, estabilidade e controle, de fabrica¸cão e aumento da eficiência individual dos equipamentos, assim como das atividades de opera¸cão e manuten¸c˜ ao. A Figura 1 ilustra, de forma simplificada, o fluxo das informa¸c˜ oes desde as grandezas f´ısicas até seu emprego nos processos existentes na ind´ ustria dos SEEs.. Em especial, as informa¸cões obtidas dos registros de dist´ urbios no funcionamento normal dos sistemas elétricos são as que impactam os processos citados de forma mais contundente. Este fato decorre de que é imprescind´ıvel explicar porque o sistema elétrico ou certo conjunto.

(30) ÉÊ. ËÌÍÎÏÐ Ñ Ò ËÓÎÔÕ ÖÐ Ì×ØÕÏÙÐÚÛÐÜÕ ÝÞ×ÝÕÏÌÐÖÐ ÐßàÞ ÕÝ áÏÕÛÞÝÝÕÝ ÖÐ Ì×Öà ÎÝßÏÌÐ dos SEE. Fonte: (Autor, 2015).. de dispositivos falhou, se tais elementos estão danificados, e assegurar que as melhores pr´ aticas sejam adotadas de forma que sejam corrigidas atua¸cões incorretas dos dispositivos automáticos tais como prote¸cões, ou melhorar atua¸c˜ oes ineficientes. Três exemplos dessa afirmativa são as análises das perturba¸cões de grandes propor¸c˜ oes no sistema elétrico norte americano em 10/08/96 e 14/08/2003, e no sistema elétrico brasileiro em 10/11/2009. No primeiro caso, a an´ alise dos registros oscilográficos revelou divergência entre o amortecimento das oscila¸cões inter-áreas verificado, com rela¸cão ao predito pela simula¸cão a partir dos modelos existentes a` época, como ilustrado na Figura 2 [Kosterev, Taylor e Mittelstadt 1999].. No segundo, o montante elevado de registros gerados pelo desligamento de mais de 400 linhas de transmissão e de 531 geradores em 261 usinas implicou em dificuldade expressiva na caracteriza¸cão das causas-ra´ızes, dos problemas em dispositivos automáticos e dos poss´ıveis danos em equipamentos, evidenciando-se como prioridade a necessidade de desenvolver e implementar um arcabou¸co unificado para gerenciar a an´ alise dos registros digitais, incluindo rotinas de an´ alises autom´ aticas [Bhatt 2004, Dagle 2004, Mozina 2012]..

(31) âã åæçèéèêëìí èêîéè éèïæíîéð è íæñòóìëôð õ öóè÷ìòîè øùúú äûüäýüþÿÿD 4600. ùæñòóìëôð Rèïæíîéð. Intercâmbio [MW]. 4500 4400 4300 4200 4100 4000. ä. 3900. 10. 20. 30. 40 50 Tempo [s]. 60. 70. 80. 90. Figura 2 – Fluxo de potência registrado e simulado na interliga¸cão Calif´ ornia-Oregon. Fonte: [Kosterev, Taylor e Mittelstadt 1999]. Este problema figurou também no terceiro caso, no qual destacouse a quantidade de dados referentes às plantas de gera¸cão, que demandaram esfor¸co de um grande grupo de analistas e resultou em uma primeira vers˜ ao da an´ alise somente em 14/12/2009, onde apontaram-se numerosos incidentes, abrangendo as esferas da opera¸cão, manuten¸cão e planejamento do sistema elétrico brasileiro, como por exemplo, a considera¸c˜ ao do critério N-3 no planejamento e na opera¸cão. A relevˆ ancia da cobertura, e da qualidade da análise dos registros de eventos, na verifica¸cão e no tratamento de problemas existentes nos elementos dos SEEs, em especial no caso dos desligamentos, promoveu a sistematiza¸c˜ ao e regulamenta¸cão da an´ alise de perturba¸c˜ oes como processo rotineiro em grande parte dos sistemas elétricos mundiais [Patterson 2005]. A an´ alise de perturba¸cões é fundamentada no exame dos registros realizados pelos chamados oscil´ ografos, que, historicamente, foram inicialmente distribu´ıdos juntamente com a prote¸cão dos equipamentos, dedicados ` a captura de formas de onda para aferi¸cão da sua opera¸cão. Embora a avalia¸c˜ ao do desempenho da prote¸cão seja a atividade nuclear da an´ alise de perturba¸c˜ ao, a extensão do monitoramento de eventos por registradores de maior dura¸cão expandiu gradativamente a análise de perturba¸c˜ oes aos fenˆ omenos de desempenho dinâmico, de forma que atualmente este processo tem por finalidade avaliar o desempenho operacional das diferentes instâncias funcionais que compõem os sistemas elétricos, como para os exemplos dos blecautes descritos. Embora a an´ alise de perturba¸cões conste da análise de dados em.

(32) 2. sua maior parte digitais, esta atividade permanece atualmente como um processo majoritariamente manual, o que acarreta em elevado esfor¸co, ainda insuficiente para avalia¸c˜ ao da maior parte dos registros existentes [Rogers 2012]. O problema originado da quantia de dados é ainda intensificado especialmente por dois fatores: o primeiro relativo ao recente aumento da infraestrutura de dados digitalizados, que apesar dos evidentes benef´ıcios, resulta colateralmente em um montante elevado de registros sem informa¸c˜ ao u ´til [Kezunovic, Xie e Grijalva 2013], e o segundo relativo à prolifera¸c˜ ao de geradores de pequeno e médio portes conectados a` distribui¸c˜ ao (Gera¸c˜ ao Distribu´ıda - GD) [EIA 2016, Chowdhury e Crossley 2009] que, para sua integra¸cão demandam utiliza¸cão de tecnologias de comunica¸c˜ ao e informa¸cão e usualmente dispõem de fun¸cões de oscilografia. No intuito de reduzir o esfor¸co manual associado à atividades rotineiras da an´ alise de perturba¸cão, diversos estudos foram propostos para sua automa¸c˜ ao [Kamwa e Grondin 2002, Magnago e Abur 1998, Styvaktakis, Bollen e Gu 2002, Kezunovic et al. 1993, Moreto e Rolim 2011]. No que tange especificamente à avalia¸cão do desempenho da prote¸cão, figuram na bibliografia as propostas descritas a seguir. Em [McDonald, Burt e Young 1991] um sistema especialista é proposto para avaliar dispositivos automáticos, a partir do processamento de alarmes associados ` a prote¸cão de redes elétricas. Demonstrouse neste estudo principalmente que inferências u ´teis à opera¸cão podem ser deduzidas. Posteriormente, um trabalho pioneiro da aplica¸cão de Sistemas Multiagente (SMA) em estudos de sistemas elétricos foi apresentado em [Hossack et al. 2003], o qual consta de reunir sistematicamente dados iniciais, em geral do Sistema de Controle e Aquisi¸cão de Dados (SCADA), identificar os incidentes e eventos, complementar os dados iniciais com registros e interpretar o conjunto de dados para avalia¸cão da performance da prote¸c˜ ao de sistemas de transmissão. O referido m´ odulo de avalia¸cão das fun¸cões de prote¸cão é detalhado em [Davidson, McArthur e McDonald 2003], onde são também apresentados, a fundamenta¸c˜ ao teórica, o modelo de software, e aplica¸cões dos conceitos a casos de atua¸cões de prote¸cões de linhas de transmissão. Subsequentemente, em [Davidson et al. 2006] é apresentada a extensão desse sistema, a partir da integra¸cão de diferentes sistemas de inferência, assim como as principais conclusões reunidas da experiência obtida ao longo da opera¸c˜ ao do sistema..

(33) . Mais recentemente, um estudo da aplica¸cão de modelos detalhados para a an´ alise automática do desempenho da prote¸cão de linhas de transmiss˜ ao foi apresentado em [Lopes et al. 2017]. Neste trabalho foram empregados registros oscilográficos efetuados pela prote¸cão, e avaliadas as fun¸c˜ oes de prote¸cão de distância e de sobrecorrente, a partir da compara¸c˜ ao da atua¸cão da prote¸cão às grandezas aferidas em conjunto ao ajuste das fun¸cões. O método foi avaliado a partir de simula¸cões de transitórios eletromagnéticos, considerando faltas monofásicas, bifásicas, bifásicas à terra, trif´ asicas e fun¸c˜ oes de prote¸cão com parametriza¸cão incorreta, além de varia¸c˜ oes na localiza¸cão da falta, no ângulo da senóide de tens˜ ao no instante de aplica¸cão da falta e da resistência de falta. A análise dos resultados obtidos concluiu que o método é suficientemente generalista e simples para utiliza¸cão, e apresentou alta confiabilidade e precis˜ ao. Todos os trabalhos citados tiveram como objeto a automa¸cão da avalia¸c˜ ao da prote¸c˜ ao de linhas de transmissão (e em casos particulares, de linhas de distribui¸c˜ ao). A prote¸cão de geradores s´ıncronos, embora desempenhe um papel-chave na confiabilidade dos sistemas elétricos - já que seu mau funcionamento podem causar danos significativos e resultar em grandes custos de reparo [Maughan 2013, Kharel, Rusch e Thornton-Jones 2010], e também ser a causa-raiz da propaga¸cão de perturba¸c˜ oes que podem resultar em desligamentos de vastas áreas [Andersson et al. 2005] - carece de métodos para avalia¸cão automática de seu desempenho. O desenvolvimento de software para automa¸cão da avalia¸cão das atua¸c˜ oes das prote¸c˜ oes de geradores s´ıncronos compõe então a motiva¸c˜ ao central desta pesquisa, que é apresentada como uma sistemática para a implementa¸c˜ ao de software. Este objeto de pesquisa está atrelado ao paradigma computacional em que é desenvolvido, que deve promover bom desempenho de processamento e ser compat´ıvel aos sistemas computacionais atuais que podem fazer uso das inferências produzidas. No intuito de tornar este objeto compat´ıvel aos softwares de gestão de redes, nos quais têm se destacado aplica¸cões empregando o paradigma computacional multiagente (valendo-se da formalidade na discuss˜ ao dos conceitos de autonomia e colabora¸cão), o desenvolvimento da referida arquitetura foi orientado à tal tecnologia..

(34) . 1.2 OBJETIVOS O objetivo principal deste trabalho - estabelecer uma arquitetura para o desenvolvimento de software para automa¸cão da análise de perturba¸cões envolvendo geradores s´ıncronos - pode ser detalhado em: ❼ defini¸c˜ ao de um modelo de referência para o desenvolvimento de sistemas multiagente para a análise de perturba¸cões; ❼ projeto de uma arquitetura de agentes que corresponde ` a metodologia para implementa¸cão do referido software, com base no modelo definido; ❼ implementa¸c˜ ao de um protótipo com base na arquitetura proposta; e ❼ realiza¸c˜ ao de experimentos e análise dos resultados obtidos.. 1.3 ESCOPO Este trabalho foi desenvolvido junto ao Laboratório de Sistemas de Potência da Universidade Federal de Santa Catarina, e é suportado pelo programa de desenvolvimento profissional da empresa Itaipu Binacional, além de ter recebido contribui¸cões da Funda¸cão Parque Tecnológico Itaipu. Os experimentos desenvolvidos foram aplicados a registros oscilográficos, dados e informa¸c˜ oes de monitoramento de propriedade de Itaipu Binacional. 1.4 ESTRUTURA DA TESE Este documento é apresentado em 7 cap´ıtulos, incluindo a introdu¸cão apresentada. Os demais est˜ ao organizados como segue. O Cap´ıtulo 2 trata da análise de perturba¸cões em SEEs. Inicialmente é apresentada a estrutura comum à esta atividade, seguida da abordagem dos dados dispon´ıveis à análise de perturba¸cões, ferramentas de processamento e da análise do desempenho da prote¸cão empregando os registros oscilogr´ aficos. Por fim, são apresentadas técnicas da avalia¸cão da dinˆ amica de geradores no contexto da análise de perturba¸cões..

(35) . No Cap´ıtulo 3 abordam-se os sistemas multiagente, iniciando-se pelos conceitos b´ asicos, de onde se elege a ferramenta mais adequada para implementa¸c˜ ao da proposta. No Cap´ıtulo 4 se apresenta uma extensa revisão bibliogr´ afica da aplica¸c˜ ao da tecnologia de multiagentes na prote¸cão de sistemas elétricos, da qual derivam conclusões que direcionam o desenvolvimento desta pesquisa, com base nas potenciais inova¸cões com rela¸cão aos estudos existentes. No Cap´ıtulo 5 é apresentada a arquitetura de software proposta, iniciando pela estrutura¸cão funcional, seguida do detalhamento do projeto do sistema com base no método de projeto, e enfatizando os planos que cada m´ odulo computacional dispõe. O modelo do ambiente, definido pelas ferramentas que os agentes utilizam, é apresentado no formato de fluxogramas e, encerrando as dimensões do paradigma vogal, é apresentado o esquema adotado na organiza¸cão dos agentes. No Cap´ıtulo 6 s˜ ao apresentados os experimentos computacionais realizados ao longo da pesquisa, que estão organizados como segue: inicialmente simula¸c˜ oes para avalia¸cão da precisão das ferramentas, seguidos de estudos de casos referente à perturba¸cões reais processadas pelo prot´ otipo e por fim, experimentos associados ao paradigma computacional. No Cap´ıtulo 7 s˜ ao apresentadas as conclusões do trabalho e os trabalhos futuros que podem ser desenvolvidos como continuidade desta pesquisa. No Apêndice A as os trabalhos desenvolvidos para divulga¸cão dos estudos realizados na tese são apresentados..

(36) 3.

(37) . ´ ´ ˜ 2 ANALISE AUTOMATICA DE PERTURBAC ¸ OES EM ˜ PLANTAS DE GERAC ¸ AO ´ ˜ 2.1 ANALISE DE PERTURBAC ¸ OES Segundo o subcomitê de desempenho dinâmico de sistemas elétricos do IEEE, uma perturba¸c˜ ao em um sistema elétrico é definida como “altera¸c˜ ao ou sequência de altera¸cões s´ ubitas em um ou mais parâmetros ou grandezas do sistema” [Bose et al. 1982]. Esta defini¸c˜ ao é excessivamente ampla, pois os sistemas de energia elétrica s˜ ao compostos da conexão de milhares de elementos que estão constantemente sofrendo solicita¸cões aleatórias dos consumidores e da reconfigura¸c˜ ao por manobras. De fato, a análise de perturba¸cões é um processo que foi originado para análise do desempenho dos sistemas de prote¸c˜ ao, que gerenciam o desligamento dos equipamentos e, portanto afetam diretamente a aptidão do sistema elétrico em cumprir sua fun¸c˜ ao prim´ aria de suprir os consumidores [Ibrahim 2011]. A extens˜ ao dos registros oscilográficos de forma de onda aos registros de valores eficazes, de potência e fasoriais sincronizados ocorrida nas u ´ltimas duas décadas ampliou as análises iniciais às de desempenho dinâmico, incluindo valida¸cão de modelos de simula¸cão, avalia¸caõ da dinâmica do sistema e da parametriza¸cão dos sistemas de controle, em suporte aos grupos de trabalho espec´ıficos para desempenhar tais fun¸cões [Bhatt 2004, Dagle 2004, Kosterev, Taylor e Mittelstadt 1999]. A an´ alise de perturba¸cões em sistemas elétricos é uma atividade regular, usualmente normatizada e coordenada pelas empresas que realizam a opera¸c˜ ao dos sistemas interligados, e tem os seguintes objetivos principais [ONS 2009]: (i) identificar funcionamento anormal ou incorreto de sistemas de prote¸c˜ ao e de controle; (ii) realizar o controle estat´ıstico dos eventos, armazenando a experiência baseada nas ocorrências; (iii) avaliar o desempenho operacional de equipamentos de potência, tais como geradores, transformadores e linhas de transmissão; e (iv) requisitar corre¸c˜ oes e indicar melhorias em procedimentos operativos, sintonia de controladores e ajuste de prote¸cões..

(38). Estes objetivos gerais s˜ ao comumente tratados separadamente nos segmentos de prote¸c˜ ao e controle, aspectos da opera¸c˜ ao de tempo real e da seguran¸ca operativa, respeitando a seguinte estrutura t´ıpica [ONS 2009]: (i) Descri¸c˜ ao da perturba¸c˜ ao; (ii) Condi¸c˜ ao de regime permanente antes da perturba¸cão; (iii) Sequência de eventos e dos desligamentos; (iv) Avalia¸c˜ ao: (a) dos desempenhos da prote¸cão, religamento e sistemas especiais de prote¸c˜ ao, e dos registradores de perturba¸cão; (b) do comportamento dinâmico do sistema; (c) da recomposi¸c˜ ao e das a¸cões humanas; (v) Levantamento da interrup¸cão de demanda e rejei¸cões de gera¸cão; (vi) Determina¸c˜ ao da severidade; e (vii) Providências tomadas/em andamento e recomenda¸cões. Grande parte desta atividade trata de avaliar o comportamento passado dos diferentes sistemas com base em registros de dados textuais (alarmes/eventos/relatos humanos) e oscilográficos (forma de onda). Uma descri¸c˜ ao breve das principais atividades que compõe a análise de perturba¸cão é realizada a seguir. 2.1.1 Estrutura da An´ alise de Perturba¸ co ˜es A an´ alise de perturba¸cões emprega tipicamente as subse¸cões descritas a seguir, onde narram-se adicionalmente os objetivos de cada segmento e ferramentas t´ıpicas utilizadas. Descri¸cão da perturba¸c˜ ao. A descri¸c˜ ao da perturba¸caõ é a s´ıntese dos principais eventos da perturba¸cão e, portanto a u ´ltima a¸cão do processo. A forma t´ıpica, adotada como produto do software desenvolvido neste trabalho é apresentada abaixo, onde [•] é a nota¸cão empregada para parâmetros a serem preenchidos:.

(39)

(40)

(41). “Desligamento na instala¸cão [•] do gerador [•] por atua¸cão da prote¸c˜ ao [•]. Houve redu¸cão de [•] MW na gera¸cão da Instala¸cão [•], a frequência local atingiu [•] Hz e foi recuperada em [•] s, a tensão atingiu [•] pu e retornou ao valor pré-perturba¸cão em [•] s. O gerador [•] da instala¸c˜ ao [•] foi sincronizado em [•] s. Os registradores [•] foram disparados e a energia que deixou de ser gerada devido a esse evento foi de [•] MWh.” Análise das condi¸c˜ oes de regime permanente. As informa¸c˜ oes principais que descrevem a condi¸cão de regime pré-perturba¸c˜ ao s˜ ao: configura¸cão topológica de rede (n´ umero de: unidades geradoras sincronizadas, linhas de transmissão, equipamentos de compensa¸c˜ ao reativa e barramentos); gera¸cão, transmissão e demandas ativa e reativa; perfil de tensão do sistema; equipamentos desconectados e sua motiva¸c˜ ao (conveniência ou indisponibilidade); modos de opera¸c˜ ao de sistemas de controle; configura¸cões das deriva¸cões dos transformadores e de alimenta¸cão dos sistemas auxiliares e limita¸cões operativas (estruturais ou normativas). O estado de regime permanente do sistema permite avaliar se o sistema se encontrava em condi¸cão normal previamente à perturba¸cão (sem viola¸c˜ oes de restri¸c˜ oes de tensão ou fluxo ou de seguran¸ca operacional) e influi sobre o desempenho transitório esperado frente à cadeia de eventos ocorrida durante a perturba¸cão analisada. Sequência de eventos e dos desligamentos. A sequência de eventos registra os dispositivos sensibilizados (com as respectivas temporiza¸cões e encadeamentos) e provê os dados para avaliar em que condi¸cões os mesmos ocorreram. Todas as an´ alises de perturba¸cões podem ser caracterizadas pela sequência dos eventos ocorridos, que fundamenta a avalia¸cão do estresse ao qual o sistema elétrico foi submetido durante faltas. A melhoria do desempenho do sistema frente a uma classe de perturba¸cões espec´ıfica, sempre que poss´ıvel, é realizada via altera¸cão dos tempos entre os eventos control´ aveis e, eventualmente, de sua própria sequência de atua¸cão, de forma coordenada. A principal ferramenta empregada são os registradores de sequência de eventos (Sequence of Event Recorders - SER) que registram com precis˜ ao da ordem de 1 ms em forma textual os eventos ocorridos e posteriormente os ordena para análise..

(42) . Desempenho dos dispositivos de prote¸cão, religamento e Sistemas Especiais de Prote¸c˜ ao. ´ desej´ E avel que toda atua¸cão dos sistemas de prote¸cão seja analisada porque seu desempenho inadequado pode causar desligamentos generalizados [Berizzi 2004, Mozina 2012], ou danos severos a equipamentos associados a significativos custos de reparo e lucros cessantes [Maughan 2013]. O desempenho da prote¸cão é definido em termos de seus objetivos: confiabilidade, seletividade e rapidez [Blackburn e Domin 2015]. A confiabilidade e a seletividade são avaliadas em termos da eficiência do sistema de prote¸c˜ ao em concretizar a a¸cão a qual o mesmo é destinado. Este atributo é analisado com base nos registros das informa¸cões ´ considerada a atua¸cão corque o relé recebeu durante o dist´ urbio. E reta aquela onde o relé desempenhou suas a¸cões de acordo com sua parametriza¸c˜ ao. A atua¸c˜ ao incorreta é caracterizada por falha, mau funcionamento ou opera¸c˜ ao n˜ ao planejada ou imprevista do sistema de prote¸cão, que podem causar tanto falha na isola¸cão de uma área em falta quanto isola¸c˜ ao indevida de uma área do sistema elétrico. Por fim, a rapidez é caracter´ıstica desejável já que todo sistema não deve permanecer em condi¸c˜ oes de faltas, e é comumente justificada em termos da manuten¸c˜ ao da estabilidade do sistema e da redu¸cão de danos em equipamentos [Hewitson, Brown e Balakrishnan 2004]. Em contrapartida, o sistema de prote¸c˜ ao pode ser intencionalmente temporizado para prover coordena¸c˜ ao entre fun¸cões de prote¸cão do sistema [Russell 1956]. Estes conceitos s˜ ao extens´ıveis aos Sistemas Especiais de Prote¸cão (Special Protection Systems - SPS) que são um conjunto de dispositivos projetados com a finalidade de detectar condi¸cões anormais do sistema elétrico, tipicamente relacionadas a contingências pré-determinadas, e desencadear um conjunto de a¸c˜ oes no intuito de prover um desempenho aceitável para o sistema [McCalley e Fu 1999]. Os SPS incluem, entre outros, os esquemas de al´ıvio de gera¸cão, Esquemas Regionais de Al´ıvio de Carga (ERAC), Esquemas de Controle de Emergência (ECE) e de Seguran¸ca (ECS) [ONS 2009] de acordo com as a¸cões que executam e suas finalidades. Nesta fra¸c˜ ao da an´ alise de perturba¸cão as prote¸cões, religamentos e sistemas especiais de prote¸cão atuados são submetidos ao crivo do analista que verifica e interpreta a excursão das grandezas do sistema elétrico e as sinaliza¸c˜ oes resultantes. Tempos de elimina¸cão da falta e de efetiva¸cão de religamentos, falhas de disparo, de partida, elimina¸cão tardia, problemas de comunica¸cão em esquemas ou com disjuntores.

(43) . (como arcos entre contatos), fechamento ou abertura discrepante de polos, restrike e reigni¸c˜ ao s˜ ao produtos presum´ıveis dessa análise [Ibrahim 2011]. Destaca-se como ferramenta para esta avalia¸cão o método conhecido como diagn´ ostico baseado no modelo (Model Based Diagnostic - MBD) [Russell e Norvig 2002], fundamentado na compara¸cão entre a sa´ıda registrada pela prote¸cão à sa´ıda da simula¸cão obtida da submissão dos sinais registrados ao modelo do dispositivo. Nesta fase, em adi¸cão ao sistema de prote¸cão, o sistema de registradores deve também ser avaliado, pois, devido a mau contato, cabos interrompidos e especialmente à parametriza¸cão, são frequentes as ausências de registro de perturba¸cões que efetivamente ocorreram em um sistema elétrico. Avalia¸c˜ ao do comportamento dinâmico do sistema. O comportamento dinâmico dos sistemas de energia elétrica é produto da intera¸c˜ ao de certo conjunto de fenômenos f´ısicos, em especial eletromagnéticos e eletromecânicos, que resulta em um processo complexo, amplamente estudado e discutido em termos da estabilidade e controle dos sistemas elétricos [Kundur, Balu e Lauby 1994, Kundur et al. 2004]. Do ponto de vista da análise de perturba¸cões, entretanto, são destacadas a identifica¸cão e determina¸cão do amortecimento de oscila¸c˜ oes eletromecˆ anicas e as varia¸cões anormais de tensão, potência e/ou frequência (em magnitude, taxa de varia¸cão ou sentido incompat´ıvel com a natureza da perturba¸cão). A excursão de grandezas é tipicamente avaliada em termos da compara¸cão do registro com casos conhecidos, atividade que expõe a análise à dependência da experiência do analista, mas que também pode ser realizada pelo emprego de simula¸c˜ oes de perturba¸cões pré-determinadas como padrões de compara¸c˜ ao [Jain, Duin e Mao 2000]. Interrup¸c˜ ao de demanda, gera¸cão e cômputo da severidade. A demanda interrompida, varia¸cões de intercâmbio e rejei¸cões de gera¸c˜ ao s˜ ao as principais métricas empregadas para quantificar a intensidade das perturba¸cões nos sistemas elétricos. Consideram-se, adicionalmente, a dura¸c˜ ao dessas interrup¸cões e/ou varia¸cões [Adibi e Martins 2008], encerrando na contabiliza¸cão dos indicadores de energia não gerada e demanda não suprida [Kraftnat 2004]. A energia não gerada comumente é calculada como a razão da diferen¸ca entre a gera¸caõ programada (ou pré-evento) e realizada e a capacidade da instala¸cão, de acordo com a Equa¸c˜ ao 2.1, onde os ´ındices arbitrários (i) a (v) definem.

(44) . o chamado sistema minuto (adaptado de [Mariani e Murthy 2012]). SM =. Gera¸ca õ n˜ ao realizada [M W ] T empo de interrup¸c˜ ao [minutos] Capacidade instalada total de gera¸c˜ ao [M W ]. (2.1). (i) SM < 1, aceit´ avel; (ii) 1 ≤ SM < 10, n˜ ao grave; (iii) 10 ≤ SM < 100, grave; (iv) 100 ≤ SM < 1000, muito grave; ou (v) 1000 ≤ SM , catastr´ ofico. Providências tomadas e Requerimentos. As providências tomadas são as a¸cões desempenhadas após a ocorrência da perturba¸c˜ ao, que transcorrem desde o instante da perturba¸cão até o encerramento da sua análise. De forma an´ aloga, os requerimentos são as a¸cões demandadas frente à identifica¸c˜ ao de problemas que necessitam ser tratados ou corrigidos, porém n˜ ao limitam o retorno dos equipamentos à opera¸cão, tais como: reparo de componentes substitu´ıdos por sobressalentes; testes de desempenho em bancada; implanta¸cão de normas operativas e modelagem computacional para simula¸cão.. 2.2 REDES DE OSCILOGRAFIA E FERRAMENTAS DE PROCESSAMENTO As medi¸cões de formas de ondas, empregadas no intuito de analisar transitórios, remontam ` a pr´ opria experimenta¸cão e desenvolvimento dos dispositivos elétricos, empregando inicialmente tra¸cos guiados pela forma de onda em papel [Duddell e Marchant 1899, Robinson 1905], posteriormente por fotografias de um espelho acoplado a uma bobina móvel, evoluindo aos tubos de raios catódicos, encerrando nos registradores digitais contemporˆ aneos. Tais dispositivos migraram gradualmente dos laborat´ orios para as instala¸cões [Marrison 1929] e na atualidade estão disseminados e em tecnologia digital [Ukil et al. 2007]. Os principais dispositivos empregados na análise de perturba¸cão são os seguintes:.

(45) . Sequence of Event list Recorders - SER: re´ unem e associam o tempo da ocorrência (processo chamado impressão de estampa) de eventos em diferentes equipamentos no formato de alarmes textuais, que geralmente s˜ ao disponibilizados de forma sequencial e auxiliam a caracterizar ocorrências, perturba¸cões e faltas a partir da cadeia de eventos registrada. Permitem, adicionalmente, compilar sequências de eventos de diversas origens e outros SER compat´ıveis existentes e, por essa razão, mesmo que outros dispositivos possuam capacidade de registrar sequências de eventos, continuam a ser instalados. Possuem resolu¸cão t´ıpica de 1 ms e é comum o emprego de referências de tempo baseadas em Global Positioning Satellites - GPS e o uso do Universal Time Code - UTC. A estrutura t´ıpica deste tipo de registro é dada pelos campos de hora, data, subesta¸c˜ ao, equipamento, estado e descritivo, e é comum o uso de um separador espec´ıfico para delimita¸cão dos campos. Além do endere¸co de reposit´ orio e campos existentes, o processamento demanda cadastramento de quais descritivos são relevantes nas análises a serem automatizadas. Digital Fault Recorders - DFR: registram a forma de onda das grandezas de interesse (corrente, tensão) nos chamados canais analógicos e estados l´ ogicos, de relés ou de disjuntores, nos chamados canais de evento. Permitem também registrar grandezas compostas, calculadas das demais grandezas registradas, como fasores ou potências de interesse. Seus registros podem ser usados para confirmar a ocorrência de faltas, determinar sua dura¸cão, magnitude das tensões e correntes, determinar a localiza¸c˜ ao, definir o tipo e a natureza, avaliar o desempenho das fun¸c˜ oes de prote¸c˜ ao e dos disjuntores. Faltas causadas por descargas atmosféricas, contamina¸cão da isola¸c˜ ao, contato dos condutores com árvores, reigni¸cão e causas similares costumam apresentar assinaturas t´ıpicas nesse tipo de registro. Estes dispositivos são usualmente comercializados para realizar registros de 1 a 5 segundos de dura¸cão, com frequência de amostragem de cerca de 1kHz (resolu¸cão de 1ms), tipicamente dispondo de 8 a 64 canais anal´ ogicos e 32 a 384 canais de eventos. A estrutura t´ıpica é de canais anal´ ogicos seguidos pelos canais de evento, de maneira que as informa¸c˜ oes demandadas para processamento são o endere¸co do diret´ orio de armazenamento e a correspondência entre os canais de registro e as grandezas que se deseja processar..