AJUSTE DE TAP DE TRANSFORMADORES PARA CONTROLE DE TENSO DE SUBESTAES DE ENERGIA ELTRICA USANDO CONTROLADOR FUZZY

DIEGO DA ROSA, L

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HENRIQUE SIMAS

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RAIMUNDO TEIVE, C. G.

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Abstract This work proposes a fuzzy controller to automatize the taps adjustment process of the electrical transmission sub-station transformer by using an on-line taps changer (OLTC) equipment, with the objective to control the substation output voltage. Variables such as: voltage limits, reactors and capacitors status, are considered on this adjustment process. The fuzzy logic theory is utilized to solve this problem, due mainly to its capacity to emulate the human reasoning, in special, the substa-tion operator modus operandi, which through his expertise, is always looking for the minimization of the adjustment number, and the consequent conservation of the derivation changer and the electrical transformer situation. The developed system is validated with real data from a transmission substation, comparing the results to the operator manual adjustments, obtaining promising results.

Keywords Power System, Fuzzy Control, Substation Automation, Intelligent Control

Resumo proposto neste trabalho um controlador fuzzy para automatizao do processo de ajuste dos taps dos transformado-res de subestaes de transmisso de energia eltrica, executado por um equipamento OLTC, com vistas ao controle de tenso de sada desta subestao. Variveis tais como: limites de tenso para determinados horrios do dia, carregamento do transforma-dor, carga fornecida pela subestao, alm dos status dos reatores de barra e banco de capacitores, so considerados neste pro-cesso de ajuste. A lgica fuzzy utilizada para resolver este problema, devido principalmente a sua capacidade de emular o ra-ciocnio humano, em particular, o modus operandi do operador da subestao, o qual atravs da sua experincia, sempre busca a minimizao do nmero de ajustes e a conseqente conservao do comutador de derivao e do prprio transformador. O sis-tema desenvolvido validado com dados reais de uma subestao de transmisso, comparando os resultados obtidos com o ajus-te manual do operador, obtendo-se resultados promissores.

Palavras-chave Sistema de Potncia, Controle Fuzzy, Automao de Subestao, Controle Inteligente

1 Introduo

As empresas transmissoras de energia eltrica exercem um papel muito importante no setor eltrico brasileiro, especialmente em funo da predominn-cia hidreltrica de matriz eletro-energtica nacional, o que implica na necessidade de transporte de gran-des blocos de energia a grandes distncias, necessi-tando assim de altos nveis de tenso.

Nas subestaes prximas s cidades h necessi-dade da reduo dos nveis de tenso, sendo o con-trole desta tenso uma tarefa rotineira das empresas transmissoras de energia, usualmente realizado pelos operadores destas subestaes.

O controle de tenso no barramento de sada da subestao uma tarefa importante e com certo grau de complexidade, particularmente nas subestaes que no esto automatizadas, onde os operadores tm papel fundamental para o desempenho eficiente deste servio.

Os operadores que trabalham nestas subestaes tm a responsabilidade de monitorar os nveis de tenso de diversos circuitos das subestaes vizinhas, em tempo real, e operar diversos transformadores, localizados em cada uma destas subestaes.

Os operadores podem sofrer grande presso e stress, especialmente em situaes de contingncia na rede, onde decises operativas devem ser tomadas, em um curto espao de tempo, de acordo com a an-

lise de uma grande quantidade de informaes e da-dos que chegam de forma simultnea. Sob estas cir-cunstncias o erro humano eminente.

Para manter o nvel tenso da sada de uma sub-estao de energia (SE) em patamares apropriados, os operadores devem considerar diversos aspectos, tais como: nvel de gerao de potncia reativa, liga-o de compensadores sncronos e banco de capaci-tores, uso de reatores de barra e ajuste de taps dos transformadores, onde o ajuste automtico de tap pode ser executado atravs dos equipamentos cha-mados de OLTCs (on-load tap changer).

O OLTC um dispositivo utilizado para mudan-as de derivaes de um enrolamento (tap), adequado para operao com o transformador energizado, em vazio ou em carga (Trindade, 2004).

A variao do tap permite elevar ou reduzir a tenso transformada, atravs da variao da relao do transformador. Assim, quando essa tenso do cir-cuito estiver fora dos padres aceitveis, busca-se com o comutador de derivao ou OLTC, que a ten-so fique dentro dos limites. Entretanto, outras vari-veis influem neste ajuste, tais como: limites de ten-so, horrio do dia, carregamento do transformador, carga fornecida pela subestao, status do reator de barra e banco de capacitores (ligado ou desligado); aumentando assim a complexidade do problema.

O ajuste eficiente dos taps importante no so-mente para o controle de tenso, mas tambm para a prpria conservao do estado do OLTC. Levanta-mento feito pelo CIGRE (CIGRE 1983), com base em informaes obtidas de concessionrias de ener-gia de diversos pases, indicou que 40% das falhas ocorridas em transformadores de SEs estavam rela-cionadas a comutadores de derivao, principalmente queles operados automaticamente.

O ajuste dos taps dos transformadores de uma SE, feito usualmente pelo operador, de acordo com as variaes dirias do consumo de energia, sendo a sua automatizao importante para liberar o operador para outras tarefas na SE, alm de ir ao encontro do processo vigente de automao de subestaes do sistema de transmisso eltrico.

Desta forma, como contribuio ao processo de automao de SEs, neste trabalho proposto um con-trolador baseado em lgica fuzzy para controle da tenso de 3 transformadores 230/138 da SE de Blu-menau, pertencentes empresa Eletrosul Centrais Eltricas S.A., tendo como variveis de controle os taps destes transformadores, ligao de banco de capacitores, reatores e compensadores sncronos, em funo de variaes dirias da curva de carga da SE.

A lgica fuzzy foi escolhida neste trabalho prin-cipalmente pela sua capacidade em reproduzir o ra-ciocnio humano, particularmente o modus operandi do operador da SE, o qual sempre busca a operao eficiente do OLTCs e a minimizao do nmero de ajustes.

2 Automatizao de Subestaes

Atualmente, a grande maioria das SEs utilizam o tradicional sistema SCADA (System Control and Data Acquisition Software), o qual possibilita a a-quisio de dados e controle de alguns dispositivos atravs das RTUs (unidades terminais remotas). Con-tudo, este sistema se comunica apenas com um nvel hierarquicamente superior, no tendo capacidade de processamento, controle e operao locais.

Para incrementar o nvel de automao local de uma SE, diversas abordagens tm sido propostas, envolvendo desde a utilizao de controladores cls-sicos (PID e CLP), at a implantao de sistemas inteligentes, baseados em tcnicas da inteligncia artificial.

A automao das SEs tem sido viabilizada espe-cialmente pelo processo de digitalizao destas SEs, operacionalizada com advento dos rels digitais, os quais tm propiciado a modernizao dos sistemas de superviso, controle e proteo das SEs. Exemplos desta revoluo podem ser observados em (Souza, 2005), onde a implantao de sistemas de controle automtico tem possibilitado que funcionalidades tais como: transferncia de linhas, restabelecimento de SE, retirada e insero de capacitores e transferncia de carga de transformadores, sejam realizadas em tempos menores que 2 minutos. A necessidade de aliar as vantagens do sistema SCADA com controla-dores locais, com vistas automao das SEs pode ser vista em (Teixeira, 2002).

Sistemas inteligentes tambm tm sido propostos para introduzir algum nvel de automao s SEs, como o caso do sistema neuro-fuzzy proposto em (Martins, 2003).

Com o surgimento do tele-controle, diversas subestaes tornaram-se controladas por apenas uma subestao, acarretando uma carga ainda maior de trabalho para os operadores remanescentes.

Os computadores que so implantados nas sub-estaes com os sistemas digitais, geralmente esto equipados com um sistema computacional especfico para trabalhar com gerenciamento de energia eltrica.

A maioria destes ambientes tem sistemas opera-cionais Linux e so programados na linguagem de programao C. No caso das empresas da rede Ele-trobrs, usado o sistema SAGE (Sistema Aberto de Energia Eltrica), que baseado em Linux e progra-mado em ANSI C.

Neste trabalho, apresentada uma proposta para automatizao do processo de operao de equipa-mentos da SE, atravs do monitoramento e controle on-line. A soluo consiste num sistema computacio-nal inteligente, desenvolvido em linguagem C, basea-do em lgica fuzzy, capaz de atuar sobre os elementos de uma SE, relacionados ao processo de ajuste de tap dos transformadores, com vista ao controle de tenso da subestao.

3 Lgica Fuzzy

A lgica fuzzy foi desenvolvida por Lotfi Zadeh em 1965 (Klir, 1995). A lgica fuzzy tem a capacida-de de inferir concluses e gerar respostas baseadas em informaes vagas, ambguas e qualitativamente incompletas e imprecisas, ou seja, uma nova aborda-gem nos termos de incerteza.

Outra vantagem que o sistema fuzzy de fcil compreenso e de fcil aplicao, com conceitos ma-temticos no muito complexos (Shaw, 1999).

A lgica fuzzy introduziu uma mudana de para-digma em relao modelagem de incerteza, consi-derando a abordagem probabilstica existente na po-ca. As quatro principais caractersticas que diferenci-am esta tcnica so (Klir, 1995):

Quando dados fuzzy so processados, suas incertezas intrnsecas so tambm processa-das, tornando seus resultados mais significa-tivos;

Quanto maior a complexidade do problema, mais destacada tende a ser a vantagem da u-tilizao da abordagem fuzzy;

Tem capacidade de capturar e tratar conhe-cimento expresso em sentenas representa-das por linguagem natural;

Tem capacidade de emular o raciocnio de senso comum humano e outros aspectos cognitivos.

Diferentemente da lgica tradicional, como a l-gica booleana, a lgica fuzzy capaz tambm de tra-tar valores com grau de pertinncia parciais, em vez de apenas nula ou total, fato que a torna prxima da lgica do raciocnio humano, pois os seres humanos no enxergam o mundo com apenas zeros e uns.

A lgica fuzzy consiste em um conjunto de fun-es, que juntas possibilitam a sua realizao. Dentre essas ferramentas inclui-se funes que calculam o min fuzzy, max fuzzy, clculo de vetor probabilidade e inferncia fuzzy. (Klir, 1995)

Em sistemas de potncia, diversas so as aplica-es que envolvem o uso da lgica fuzzy, destacando-se o problema de controle adaptativo de compensa-dor esttico em sistemas multi-mquinas (Mohaghe-ghi, 2005), implementao de lgica fuzzy para ajuste de controladores PID (Sumar, 2005) e sistema PI-fuzzy para controle do regulador de tenso de um micro-gerador eltrico (Campos, 2004).

4 Controle Fuzzy

Para que um controlador possa ter a capacidade de representar a percepo e o raciocnio humano, no caso particular da operao do sistema de controle de tenso com ajuste de tap, tarefa que s vezes depende de informaes vagas e nebulosas, este controlador deve ser implementado com a lgica fuzzy,

Atualmente, nas SEs que no esto automatiza-das, o procedimento para controle de tenso atravs do ajuste do tap do transformador comandado pelo

operador, o qual executa sua ao baseado na anlise das condies da SE e variveis de controle

O operador considera na sua tomada de deciso a diferena entre a tenso atual (Vatual) e o valor de referncia (Vref) para determinado horrio do dia (H), o carregamento do transformador (W) e carga con-sumida a partir desta subestao, status dos reatores (R) (ligados ou desligados) e status do banco de ca-pacitores (Bc) (ligado ou desligado).

O controle fuzzy, neste caso, substituiria o ope-rador e comearia a agir por conta prpria, de acordo com a Figura 1.

Figura 1. Diagrama de blocos do sistema proposto.

Devido digitalizao, todas as variveis que o operador utiliza para tomar suas aes, esto dispo-nveis dentro do sistema digital, possibilitando as suas capturas pelo sistema supervisrio.

Assim, o sistema de controle fuzzy proposto, a partir do monitoramento das variveis necessrias e tendo a filosofia de controle baseada no raciocnio do operador, dever tomar aes semelhantes ao opera-dor, pois o conhecimento e a experincia do opera-dor, embutidos nos procedimentos usuais de opera-o, so suficientes, para o funcionamento adequado do sistema. Neste caso, os operadores ficaro libera-dos para se dedicarem a outras funes.

Alm disto, o uso do controlador digital tender a evitar o erro humano, especialmente em situaes envolvendo um grande nmero de informaes for-necidas pelo sistema, onde geralmente o ser humano tem dificuldade de lidar.

5 Desenvolvimento

5.1 Lgica Fuzzy

Inicialmente, as funes fuzzy implementadas fo-ram validadas atravs de simulaes envolvendo um problema clssico de controle, que o sistema de primeira ordem - motor DC simplificado (Ogata, 2003). Nesta avaliao o controlador fuzzy substituiu um controlador PI padro.

Utilizando um ajuste de ganhos adequado, o de-sempenho no controle de velocidade realizado por um controlador PI foi obtido. O controle fuzzy foi ajustado de tal forma que o seu desempenho equiva-lesse ao encontrado para o controle PI.

A Figura 2 apresenta o resultado comparativo entre a estratgia de controle PI e fuzzy.

Figura 2. Comparao Controlador PI e Fuzzy

Considerando que para a maioria dos sistemas de superviso de controle digital de SEs so implemen-tados para Linux, um conjunto de ferramentas fuzzy foi construdo em linguagem ANSI C. As bibliotecas fuzzy em C esto disponibilizadas para download como ferramenta Open Source em https://sourceforge.net/projects/cttseelf.

5.2 Fonte de Conhecimento para o Sistema

A subestao escolhida, em parceria com a Ele-trosul, para a implementao do controlador fuzzy foi a Subestao Controladora de Blumenau (SCB).

Neste sentido, foi enviado para os operadores da SCB, um questionrio contendo perguntas relaciona-das aos seus procedimentos de operao, no que tan-ge ao controle de tenso da SE. As respostas dos ope-radores foram usadas para a programao do sistema e da lgica de controle do controlador fuzzy.

5.3 Modelagem

O processo de modelagem do sistema envolveu prin-cipalmente a modelagem do transformador com tap da SCB e das duas outras subestaes controladas pela SCB, que so as subestaes de Ilhota e Itaja. A modelagem considerou os trs transformadores co-nectados, conforme representado na Figura 3.

Figura 3. Sistema de interconexo da Controladora de Blumenau.

Na figura 3, BLU, ITJ, ITA representam as SEs de Blumenau, Itaja e Ilhota, respectivamente. As cargas X, Y e Z representam a carga das SEs corres-pondentes, em determinado momento do dia. O componente S representa um compensador sncrono instalado no sistema em Ilhota, R um reator em Blumenau e Bc1 e Bc2 dois bancos de capacitores instalados tambm em Blumenau.

Como pode ser observada na Figura 3, a SCB alimentada em 230 kV, assim como a SE de Itaja. A subestao de Ilhota, por sua vez, alimentada em 138 kV. A tenso de sada das SEs de Itaja e Ilhota de 138 kV e 69 kV, respectivamente.

5.4 O controlador

O sistema proposto aplica-se no controle de SEs sob circunstncias normais de operao. Em situa-es de emergncia, que envolvem, por exemplo, a necessidade de um controle restaurativo, ou mesmo a recomposio do sistema como um todo, o controla-dor se desliga automaticamente, devendo soar um alarme de emergncia, passando o controle para o operador.

5.5 Lgica de Controle do Sistema

O controle executado pelos operadores, o qual precisa ser substitudo pela Lgica fuzzy. explicado a seguir.

Os operadores tm a funo de manter a tenso das barras sempre dentro de um intervalo desejado, buscando no executar ajustes de taps desnecess-rios.

O valor da tolerncia para a tenso definido por um grupo de pesquisa, ou dependendo de diver-sos atributos do sistema, devidamente calculado por uma equipe. Essa equipe estuda este problema e en-via para a operao uma tabela com o nvel de tenso para o horrio, sendo que esse nvel de tenso contm o ideal, o mnimo possvel e o mximo possvel para aquele horrio.

Com esta tabela em mos, os operadores execu-tam comando de aumentar ou diminuir tap nos trans-formadores com a inteno de manter o nvel de ten-so dentro dos valores da tabela.

O problema que a variao da tenso no contnua e nem linear. Em certos momentos, a tenso pode sair da faixa fornecida na tabela, porm em poucos segundos ela pode voltar para a faixa. Nestes casos, o operador espera um tempo para perceber se realmente a tenso vai continuar saindo da faixa. Ca-so ela continue fora da faixa, o mesmo executa o co-mando, caso ela volte, o comando poupado.

No caso da SCB, existem dois conjuntos de transformadores em srie, o de Blumenau (230kV/138kV) e Ilhota (138kV/69kV). Quando a tenso cai na SCB, a tenso tambm vai cair em Ilho-ta. Ento, o comando apenas enviado para a SCB, pois quando a tenso subir nesta subestao, ela au-tomaticamente subir em Ilhota.

O COT (Centro de Operao da Transmisso) e o ONS (Operador Nacional do Sistema) controlam na SCB trs equipamentos para o controle de tenso: dois bancos de capacitores, um reator na SCB e um compensador sncrono em Ilhota. Estes equipamentos quando entram em operao, causam um efeito seme-lhante adio ou liberao de carga no sistema.

O reator faz com que a tenso de todo o sistema caia, o banco de capacitores faz com que a tenso da barra de 230kV em Blumenau suba em torno de 4,5kV e o ajuste sncrono faz com que a tenso da barra de 69kv em Ilhota fique mais prxima da ideal.

5.6 Lgica de Controle Fuzzy

Inicialmente, o controlador ser visto por trs mdulos, um para cada barra, sendo que, caso neces-srio, estes mdulos se comunicaro entre si.

Cada mdulo destes, utiliza principalmente, duas variveis: o valor de tenso num determinado instante de tempo e o erro de tenso (diferena entre o valor atual de tenso e o valor anterior da tenso). Desta maneira, possvel monitorar o valor atual de tenso e com a derivada saber se a variao est sendo brus-ca ou suave, possibilitando a ao instantnea do controlador.

Com este sistema, quando os bancos de capacito-res, reatores e compensadores sncronos entrarem em atividades, causando uma variao brusca no sistema, o controlador fuzzy saber como agir instantaneamen-te para tentar minimizar o impacto causado no valor de tenso do sistema.

A ligao entre a SE de Blumenau e Ilhota fundamental para o bom funcionamento do ajuste de tap da SCB. O controlador precisa estar programado para avaliar o caso de uma queda de tenso em Ilhota ser ou no causada por uma queda em Blumenau.

Quando a queda ou elevao de tenso em Ilhota for causada por SBC, significa que as aes de con-trole devero ser tomadas nos Transformadores de SBC. Desta forma, a entrada de erro de Ilhota sempre ser a diferena entre o erro de Ilhota e o erro de SBC, pois a diferena dos dois exatamente o erro de apenas o transformador de Ilhota.

Cada um destes mdulos precisa de duas entra-das e uma sada. Como a sada Aumentar Tap, Manter Tap e Reduzir Tap, a sada destes mdu-los sero trs funes fuzzy tom (Klir, 1995), ou seja, assumem valores fixos +1, 0 e -1 respec-tivamente. Uma funo, quando ativada, representar a ao de aumentar o tap, outra funo para reduzir o tap e uma terceira para representar nenhuma ao.

As entradas de tenso so modeladas por sete funes de pertinncia triangulares, representando o estado da tenso em determinados horrios do dia, onde o perodo de maior alterao ocorre normal-mente entre 18 e 22 horas.

A entrada do erro da tenso, por sua vez, mo-delada por cinco funes de pertinncia trapezoidais e triangulares, representando a variao da tenso. A

Figura 4 mostra as entradas do mdulo de controle de Blumenau. Em vermelho est a entrada da tenso e em rosa a variao de tenso, que o momento atual da tenso comparado com a interao anterior. Para os mdulos de controle de Itaja e Ilhota, as funes so as mesmas, muda-se apenas a regio do universo de discurso que as funes se localizam.

Figura 4. Comparao Controlador PI e Fuzzy

As regras fuzzy dos mdulos de controle esto demonstradas na tabela 1 a seguir.

Tabela 1. Regras de inferncia fuzzy.

A B C D E a 3 3 3 3 3 b 3 3 3 2 2 c 3 3 2 2 2 d 2 2 2 2 2 e 2 2 2 1 1 f 2 2 1 1 1 g 1 1 1 1 1

Na Tabela 1, as letras minsculas so relativas s

funes de pertinncia da entrada de tenso, de acor-do com a Figura 4. As colunas representam as fun-es de pertinncia da entrada de variao de tenso com as letras maisculas. Os valores numricos re-presentados na tabela so referentes sada, sendo 1 igual a um comando de diminuir tap, 2 igual a no tomar ao e 3 igual a comando de aumentar o tap.

6 Simulaes

Vrias simulaes foram realizadas com diversas situaes de operao prticas, sempre comparando os resultados do Controlador Fuzzy com o controle normalmente executado pelos operadores das SEs da Eletrosul.

A Figura 5 apresenta uma simulao realizada utilizando o controle fuzzy no sistema proposto no decorrer de um dia. O intervalo representado por linhas vermelhas justamente o intervalo de tenso que o operador/controle deve respeitar no decorrer

do dia e em azul o valor de tenso no decorrer deste tempo.

Figura 5. Simulao do sistema com controle fuzzy

possvel observar na Figura 5 que o controle feito para que a tenso permanea sempre dentro do intervalo proposto. Entretanto, como o controle fuzzy, h momentos que ele d uma pequena sada do intervalo ideal e no toma uma ao imediata. Isso realizado para o caso da tenso voltar para os limites rapidamente, de forma que o controlador no tome nenhuma ao desnecessria, procedimento este tam-bm realizada pelo operador.

Um fato preocupante para as empresas de trans-misso em geral, e Eletrosul em particular, que muitas aes de mudana de tap podem com o tempo desgastar os comutadores de derivao. Assim, sem-pre busca-se como procedimento padro, minimizar as operaes de ajuste de tap. Neste sentido, observa-se na Tabela 2 que o controlador fuzzy produziu me-nos ajustes do que os obtidos pela ao do operador em situaes de emergncia.

Tabela 2. Comparao dos Resultados do controle Fuzzy com

o controle dos Operadores.

Nmero de Taps Controlador Fuzzy Operadores Blumenau 25 30

Itaja 19 35 Ilhota 18 20

Os dados da Tabela 2, coluna Operadores, so

fornecidos pela Eletrosul. Este valor representa uma mdia de aes executada pelo operador diariamente na SCB, levando em conta momentos de emergncia, onde o Controlador Fuzzy no tomaria aes. A co-luna Controlador Fuzzy da Tabela 1 representa aes tomadas diariamente pelo Controle Fuzzy simulado.

7 Concluso

A automao de subestaes, especialmente em nvel de transmisso de energia eltrica, algo que tem se expandido, viabilizado principalmente pelo

processo de digitalizao destas subestaes e uso de rels digitais.

Uma das tarefas que pode ser automatizada den-tro de uma subestaes est ligada ao controle de tenso, em especial, o ajuste dos taps dos transfor-madores atravs de OLTCs. Com objetivo de evitar ajustes desnecessrios para preservar a integridade do comutador de derivao e do prprio transformador, buscou-se emular o raciocnio do operador via im-plementao de um controlador fuzzy.

Como resultado deste trabalho, foi possvel comprovar a eficcia da lgica fuzzy na implementa-o de um sistema inteligente, com a capacidade de executar aes de controle semelhantes s aes de um operador de SEs.

Os testes executados demonstram que o contro-lador foi capaz de resolver problemas da lgica fuzzy, alm de executar suas aes de acordo com os proce-dimentos do operador.

O projeto realizado possibilita a aplicao do sistema computacional a qualquer SE, bastando ape-nas preparar o ambiente de simulao para a SE dese-jada, ajustando os parmetros do controlador fuzzy.

Agradecimentos

Agradecimentos especiais aos funcionrios da Eletro-sul Centrais Eltricas S.A, que dispuseram de seu precioso tempo para fornecer apoio ao desenvolvi-mento deste projeto.

Referncias Bibliogrficas

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