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GRUPO 010 GRUPO DE ESTUDO DE OPERAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS (GOP)

MÓDULO DE ESTUDOS EM TEMPO REAL

Freire, L. M. *, Zagari, E. N. F. Rodrigues, L. F. G., Mokarzel Jr., F., Calixto R. OSE OEPS

CPFL - Companhia Paulista de Força e Luz

RESUMO Este trabalho descreve todo o ambiente envolvido na execução de estudos utilizando a função de Módulo de Estudos em Tempo Real - METR. Esta função trabalha tanto com dados de tempo real como com dados históricos e pode ser utilizada pelas áreas de estudos de curto prazo ou pelas áreas de controle da operação. Na realização dos estudos é permitida a simulação de abertura/fechamento de linhas, transformadores e shunts de barra e alterações de carga/geração das barras. O trabalho destaca as potencialidades desse aplicativo e o impacto no ambiente de operação advindos com a sua implantação no COS da CPFL. PALAVRAS-CHAVE Planejamento de Curto Prazo - Funções de Análise de Redes Elétricas - Simulação de Sistemas de Potência - Operação de Sistemas de Potência em Tempo Real 1.0 - INTRODUÇÃO A CPFL vem trabalhando há cinco anos na implantação das funções de análise de redes em seu centro de operação e controle do sistema elétrico - COS. Além das funções clássicas de estimação de estado, fluxo de potência on-line e análise de segurança em tempo real, o pacote de aplicativos de análise de redes da CPFL inclui a

função de Módulo de Estudos em Tempo Real - METR. Esta função trabalha tanto com dados de tempo real como com dados históricos, a partir de um caso base do fluxo de potência on-line. Para executar um estudo com informações do instante corrente é montado um caso base com dados da última varredura do sistema SCADA utilizando-se a mesma metodologia de geração do caso base para o fluxo de potência on-line, onde as partes observáveis da rede são modeladas através de dados telemedidos e do estimador de estado e as partes não observáveis através de dados estatísticos e equivalentes externos. Para a realização de estudos históricos são armazenados casos base de 15/15 minutos para os últimos 3 dias e de hora/hora para os últimos 30 dias.

O METR pode ser utilizado tanto pelas áreas de estudos de curto prazo quanto pelas áreas de controle da operação, sendo inegáveis os ganhos trazidos para esta última, pois o operador (despachante) pode verificar, na fase de programação e instantes antes de realizar uma manobra, quais os efeitos que ela provoca no sistema elétrico. Na realização dos estudos é permitida a simulação de abertura/fechamento de linhas, transformadores e shunts de barra e alterações de carga/geração das barras, o que cobre a grande maioria dos tipos de manobras realizadas no COS. Dispondo dessa ferramenta, o ambiente de operação exige cada vez mais a presença do engenheiro de operação e mudanças

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no perfil dos operadores, com a possibilidade de num futuro próximo os estudos de curto prazo serem realizados diretamente nos centros de operação. Uma importante característica desse aplicativo é a sua simplicidade e facilidade de utilização, tanto na preparação do caso base de tempo real e na escolha da(s) contingência(s) e/ou manobra(s) a ser(em) simulada(s), quanto na execução e apresentação dos resultados, sendo que o operador não precisa mudar de ambiente computacional para realizá-los. O aplicativo METR pode também ser utilizado para treinamento de operadores, sendo realizado na forma de auto-treinamento ou treinamento dirigido. Em qualquer uma dessas opções, o METR proporciona o aprimoramento dos operadores, dando-lhes a oportunidade de aumento contínuo na sua sensibilidade com relação ao sistema elétrico onde atua. Este trabalho tem por objetivo descrever todo o ambiente envolvido na execução de estudo utilizando o METR, desde a preparação do caso base de tempo real e escolha da simulação, até a exteriorização dos resultados, destacando as potencialidades desse aplicativo e o impacto no ambiente de operação advindos com a sua implementação no COS da CPFL. 2.0 - AMBIENTE DE TEMPO REAL Ao longo dos últimos anos a CPFL tem realizado grandes esforços para o desenvolvimento, implantação e consolidação dos chamados EMS (Energy Management System), onde as Funções de Análise de Redes - FAR são parte importante desse processo. O sistema SCADA da CPFL tem como plataforma uma rede distribuída de microcomputadores PC-386 rodando com um sistema proprietário. A alta performance exigida pela execução dos aplicativos FAR, aliada a conceitos de concepção ultrapassados, culminaram na especificação de uma rede Ethernet com protocolo TCP/IP e sistema Operacional UNIX para a execução desses aplicativos. Essa nova rede denominada de SGO (Sistema de Gerenciamento de Operação) está conectada à rede SCADA por meio de um micro gateway que faz o papel de tradutor entre as

duas redes. A máquina RISC que abriga as FAR é uma Sun Sparc10 rodando sistema operacional Solaris3 (padrão SVR4.x) que possui suporte para programação em tempo real. Os aplicativos FAR implantados na CPFL são: Configurador, Estimador, Fluxo de Potência, Análise de Segurança e Módulo de Estudos (7). Eles são controlados por um Escalonador que concede o uso do processador aos aplicativos de acordo com a prioridade de cada um, que, por sua vez, depende da ordem lógica de execução do aplicativo dentro da seqüência de tempo real (Figura 1). Com exceção do Módulo de Estudos, os aplicativos são executados ciclicamente de forma on-line sendo que o Fluxo de Potência e a Análise de Segurança podem também ser executados por solicitação do operador. Já o Módulo de Estudos, aplicativo de menor prioridade, é executado somente com a intervenção do operador de forma off-line, onde modificações especiais no posto de operação se fazem necessárias (seção 4).

FIGURA 1 - Aplicativos FAR 3.0 - PREPARAÇÃO DO CASO BASE DE TEMPO REAL

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Um dos maiores desafios na consolidação das FAR é a geração de um modelo em tempo real da rede de interesse (caso base de tempo real) que seja consistente e reflita com exatidão a situação operativa do sistema elétrico para um determinado instante. Os resultados do Módulo de Estudos, assim como do Fluxo de Potência On-Line e Análise de Segurança, serão tão mais precisos quanto mais exata for a representação da rede de interesse. Define-se aqui rede elétrica de interesse como sendo a rede elétrica da própria concessionária (rede interna) e parte da rede das concessionárias vizinhas (rede externa). A razão de se agregar parte da rede externa à rede de interesse é representar as influências externas quando da ocorrência (ou simulação) de contingências na rede interna. Em sistemas elétricos reais é comum que a rede interna não seja completamente monitorada, assim, a mesma pode ainda ser dividida em partes observáveis e partes não observáveis. As partes observáveis, também conhecidas como ilhas observáveis, são aquelas modeladas pelo Estimador de Estado e estão relacionadas às SE’s supervisionadas pelo sistema SCADA de onde se tem informações em tempo real. O restante da rede interna forma o que denominamos de ilha interna não observável. Cabe ressaltar que as partes observáveis da rede variam constantemente a cada varredura dependendo da topologia do sistema e do conjunto de medidas disponíveis neste instante. A ilha interna não observável é modelada alocando-se, às barras dessa ilha, medidas de injeção baseadas em informações estatísticas, de tal forma que a rede de interesse se torne uma única ilha observável (3). Assim, pode-se então, executar a estimação de estado nessa grande ilha observável. Na CPFL essas medidas são oriundas de curvas de carga típicas (8). Na literatura, essas medidas estatísticas são referenciadas por pseudo-medidas de injeção. A rede externa é modelada através de equivalentes externos, Ward Estendido (2). A idéia básica desta metodologia é representar (substituir) a rede externa por uma rede

equivalente reduzida mantendo as mesmas características de carga e geração da rede original. Assim as reações do sistema externo quando da ocorrência de contingências na rede interna são também mantidas. Uma vez modeladas as redes interna e externa (Figura 2), tomando-se certos cuidados, combina-se os resultados do equivalente e do estimador gerando-se finalmente um modelo completo da rede de interesse: o caso base de tempo real (1).

FIGURA 2 - Modelagem da Rede de Interesse

Na CPFL, no modo de tempo real, a cada minuto é gerado um caso base utilizando esse procedimento que acabamos de descrever. Quando há uma solicitação de estudo, o caso base do METR é gerado através do mesmo procedimento. 4.0 - O POSTO DE OPERAÇÃO E OS ESTUDOS EM TEMPO REAL Uma grande vantagem do METR é a facilidade que o operador encontra para realizar um estudo. O estudo é realizado no próprio posto de operação não necessitando de mudança de ambiente de trabalho. Na escolha da manobra ou contingência, que pode ser simples ou múltipla e de natureza diversa, tudo se passa como se ele estivesse realizando uma manobra do seu dia-a-dia utilizando o seu próprio console de operação, onde os resultados são mostrados nas telas habituais de operação do sistema. O posto de operação (PO) é constituído por dois monitores. Ao selecionar no Menu das Funções de Análise de Redes (Figura 3) a opção

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“Entrar no Modo de Estudos”, é gerado um caso base de tempo real e suas informações (fluxos nas linhas, tensões e potência líquida nas barras) são exteriorizadas em um dos monitores. No outro monitor, o operador tem acesso normal às informações de tempo real, não ficando alheio ao que se passa no sistema enquanto realiza o estudo.

FIGURA 3 - Menu das Funções de Análise de Redes

O operador pode simular manobras do seu dia-a-dia tais como:

• abrir/fechar linha; • desligar/ligar linha; • chavear banco de capacitores; • seccionar barramento (ainda em

implantação); • e ainda pode alterar o valor de carga

ou geração na barra simulando transferência/corte de carga ou redespacho de geração.

Além dos resultados das simulações mostrados de forma gráfica nas telas que representam os unifilares do sistema, o operador tem ainda à sua disposição:

• listas de violações de limites de tensão nas barras e carregamento nas linhas de transmissão/transformadores,

• o grau de severidade da contingência e • um relatório das atuações dos

elementos de controle (banco de capacitores, LTC e geradores).

Para a realização de um estudo o operador, de forma prática, fácil e rápida, executa os seguintes passos:

1. seleciona o PO para modo de estudos (um caso base de tempo real é gerado);

2. realiza as manobras desejadas; 3. solicita a execução do estudo; 4. analisa os resultados.

Apesar de ser a tarefa de menor prioridade dentro do sistema de análise de redes em tempo real, o tempo de execução de um estudo no METR (passo 3) não ultrapassa 30 segundos, o que não chega a causar ansiedade ao operador. No entanto, como só lhe é alocado o processador quando não há nenhuma outra função de análise de redes em tempo real em execução, pode-se ainda reduzir este tempo a apenas alguns segundos, bastando, para isso, alocar um processador exclusivo para a execução do METR. Assim, o METR pode ser utilizado tanto na programação e instantes antes da manobra a fim de se verificar os valores da programação, como também em situações de alerta ou emergência, onde o operador pode simular várias manobras a fim de levar o sistema para um estado seguro de operação. 4.1 Transferência sem pisca Dentre as manobras de equipamentos do sistema elétrico realizadas com a supervisão do Centro de Controle da CPFL, uma tem especial importância: a transferência sem pisca. Esta importância se deve à relevante freqüência com que essas manobras são realizadas devido ao grande número de SE’s em 138kV com dupla alimentação existentes na área de concessão da CPFL (Figura 4).

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FIGURA 4 - Diagrama unifilar de uma SE com alimentação em dupla derivação.

A manobra consiste em mudar o circuito que alimenta a SE realizando fechamento e abertura de anel através de seccionadores, evitando assim a interrupção do fornecimento de energia. Como ela é realizada com seccionadores, é importante que se faça uma análise do arco elétrico a que eles estarão submetidos ao serem manobrados. Neste tipo de estudo, o resultado é uma tabela mostrando os valores calculados e os limites para a corrente, o alcance e a potência do arco (4)(5)(6). É importante ressaltar que, para a realização de uma transferência deste tipo, é necessário programar a manobra. Desta forma, a implementação desta função em tempo real ganha importância, uma vez que ela pode (e deve) ser usada tanto na fase de programação, para estipulação de uma data e horário que satisfaçam as condições mínimas, como no instante da realização da manobra para a sua liberação ou não. Uma vez que o operador pode simular as manobras para diversos patamares de carga com enorme simplicidade, a realização do estudo de transferência sem pisca através do METR traz como benefício imediato a flexibilização de sua programação. Além disto, os estudos com o METR trazem também como vantagens uma série de simplificações em relação àqueles realizados pela área de estudos de curto prazo. Dentre tais simplificações, destacam-se a eliminação de vários passos no procedimento de estudo, como por exemplo:

• a necessidade de se ajustar o caso base

mensal do GCOI com a configuração operativa atual,

• a necessidade de se refinar as cargas das subestações envolvidas nas manobras e

• a necessidade de se executar várias vezes o programa de fluxo de carga, a fim de se detectar o pior caso para a realização das manobras.

Isto posto, fica claro que a implementação dos estudos de transferência sem pisca no METR proporcionam, não apenas uma sensível economia de tempo despendido em simulações, mas principalmente uma valiosa redução de riscos operativos nas manobras de transferências sem pisca. 5.0 - COMENTÁRIOS FINAIS Conforme dito anteriormente, dentre as dificuldades encontradas na fase de implementação destacam-se a modelagem da rede interna e a combinação dela com o equivalente externo. O primeiro problema advém da baixa redundância de medidas na área de concessão da CPFL, o que implica na utilização de um alto índice de pseudo-medidas, deteriorando a qualidade do modelo em tempo real da rede interna. O segundo, aparece no instante do “casamento de fronteira” do equivalente externo com o modelo da rede interna. Isto porque o equivalente externo é gerado a partir de um caso base do GCOI atualizado quinzenalmente que, inevitavelmente, apresenta diferenças com relação à configuração do instante para o qual é gerado o modelo da rede de interesse. A utilização do METR para investigar os efeitos de manobras e de contingências no sistema elétrico da CPFL tem trazido simplificações e diminuição do tempo despendido para a realização de estudos de curto prazo e programação de manobras. Além disto, face à facilidade de utilização, o METR poderá ser empregado com êxito no treinamento de novos operadores e aplicado também na elaboração de cursos de atualização do pessoal de operação.

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Por ser executado no mesmo ambiente computacional de operação do COS e devido à interface amigável de manuseio, o METR tem estimulado o operador a utilizá-lo. A prática de simulações tem conferido ao operador, não apenas uma melhor compreensão técnica da engenharia de sistemas de potência, aprimorando seu perfil de análise, mas também uma maior familiaridade com determinadas partes do sistema elétrico, especialmente no que diz respeito a solução de problemas e preparação para emergências. Enfim, aliando todos esses benefícios, a incorporação do METR ao Centro de Operação do Sistema da CPFL, ferramenta tão almejada por todos que trabalham com operação e controle em tempo real, tem proporcionado um estimável aumento da segurança operativa. No futuro o METR poderá servir como base para a implantação de um simulador para treinamento de operadores. 6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Ken Kato et al.. External Network Modeling -

Recent Practical Experience - A Report Prepared by the External Network Modeling Task Force, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 1, Feb 1994.

(2) Monticelli, A. J., Deckmann, S, Garcia, A.,

Stott, B.. Real-Time External Equivalents for Static Security Analysis. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-98, pp. 498-508, New York 1979.

(3) Monticelli, A. J., Felix, F. W.. A Method that

Combines Internal State Estimation and External Network Modeling. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-104, No. 1, pp. 91-99, Jan 1985.

(4) Andrews, F. E., Janes, L. R., Andersson, M.

A.. Interrupting Ability of Horn-Gap Switches. AIEE Transactions, Vol. 69, pp. 1016-1027, 1950.

(5) IEEE Committee Report. Results of Survey on

Interrupting Ability of Air Break Switches. IEEE Transactions on Power Apparatus and

Systems, Vol. PAS-85, No. 9, pp. 1008-1020, Sep 1966.

(6) Transferência de Circuito de Alimentação de

Subestação, Sem Pisca, Através de Seccionadores, nas Classes de Tensão 69 e 138 kV. Orientação Técnica da Transmissão - OTT 020504, Companhia Paulista de Força e Luz - CPFL, novembro, 1995.

(7) Relatórios 02, 03 e 04 do Aditivo 03,

Relatórios 02 e 04 do Aditivo 06 e Relatórios 01 e 02 do Aditivo 07 do Convênio de Cooperação entre CPFL/UNICAMP, sobre Funções de Análise de Redes, Campinas, 1990-1997.

(8) Zagari, E. N. F., Freire, M. L., Modelagem de

Ilhas Não Observáveis na Análise em Tempo Real. Relatório CPFL/OSE, Campinas Junho/96.