UM CONJUNTO DE SISTEMAS ESPECIALISTAS PARA AuxliO OPERAO DE UMA SUBESTAO DE DERIVAO

Jos Aquiles Baesso Grimoni e Lineu Belico dos Reis

Departamento de Engenharia de Energia e Automao Eltricas Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

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RESUMO

o trabalho apresenta o prottipo de um conjunto de sistemas especialistas para o auxlio na operao de uma subestao de energia real do tipo derivao, contendo 2 transformadores, 9 alimentadores, uma barra simples e uma de transferncia e com possibilidade de alimentao por duas linhas de 138 kV. Esta subestao possui um sistema de superviso com 83 alarmes digitais, 12 pontos de comandos de disjuntores e 17 pontos de medio analgicos. Os sistemas especialistas desenvolvidos tem como objetivos bsicos: o tratamento de alarmes da subestao, para depurao e triagem dos mesmos durante perturbaes facilitando a anlise e aes do operador; a localizao de defeitos atravs da interao entre alarmes gerados, regras que relacionam alarmes a suas causas e a estrutura que relaciona este conjunto de regras; a recOnfigurao da subestao para a transferncia de cargas entre circuitos atravs de um conjunto de manobras gerados por algoritmos de busca e de regras ligadas aos limites das grandezas eltricas dos equipamentos da rede. A prottipo foi desenvolvido utilizando a linguagem Prolog(Turbo Prolog), que voltada para o tratamento declarativo de informaes. Foram simulados conjuntos de alarmes referentes a situaes como transferncia de linhas, perda de um dos transformadores e perdas de alguns dos alimentadores.

1 - INTRODUO

Neste trabalho so mostradas as caractersticas bsicas estabelecidas no desenvolvimento e implementao de um prottipo de um conjunto de sistemas especialistas para auxilio operao de uma subestao de derivao [ I] com as seguintes funes bsicas: tratamento de alarmes~ localizao de defeitos e reconfigurao.

Os sistemas especialistas[2], [3], [4] so aqueles que baseados em regras oriundas do conhecimento de especialistas em determinada rea e em regras de domnio pblico, simulam o comportamento de um especialista na nalise e resoluo de um problema. Para os engenheiros no interessa muito se os sistemas especialistas podem ser considerados inteligentes ou no[5t mas interessa muito a capacidade destes sistemas de resolver problemas de engenharia, que ou no tm soluo fcil pelos mtodos convencionais ou exigem muito trabalho( custo elevado) para se chegar a soluo desejada.

Um sistema especialista composto pelas seguintes partes bsicas: base de conhecimento(domnio do conhecimento). composta por fatos e regras: mquina de inferncia(mquina para a soluo de problemas baseada em conhecimento) composta por um interpretador que decide como aplicar o conhecimento e um elemento que decide quando e em qual ordem devem ser aplicadas diferentes partes do domnio do conhecimento; interface

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homem-mquina com o operador do sistema: interface com o engenheiro de conhecimento, para que ele possa dar introduzir novas regras na base de conhecimento. Pode existir tambm um mdulo explanao~ que mostra o encadeamento das regras e fatos em cada consulta ao sistema especialista.

2 - A IMPLEMENTAO DOS PROTTIPOS DOS SISTEMAS ESPECIALISTAS

2.1 - Descrio geral do conjunto de sistemas especialistas

Os sistemas especialistas aqui apresentados foram desenvolvidos na linguagem Prolog(Turbo Prolog)[6] , que voltada para processamento simblico, permitindo assim a implementao de bases de regras de sistemas especialistas com uma certa facilidade. O Prolog implementa encadeamento de fatos e regras para trs("backward chaining") com busca em profundidade("backtracking"). Este tipo de mquina de inferncia a mais apropriada para solucionar os problemas tratados pelos sistemas especialistas propostos.

Foram implementadas rotinas de interface homem-mquina que permitem, atravs de menus, o carregamento dos bancos de dados para realizar as funes propostas. Uma interface grfica com a representao unifilar da SE escolhida para o desenvolvimento dos prottipo. foi desenvolvida permitindo assim a observao dinmica do estado dos equipamentos da rede.

O sistema possui uma arquitetura ou um fluxo de informaes que pode ser descrito pela figura 1. Pode-se observar que existe uma srie de arquivos de comunicao entre os sistemas especialistas, ou seja regies em que se pode guardar informaes comuns que auxiliem no processo de inferncia de cada um dos sistemas especialistas. Como exemplo o arquivo de topologia da subestao, que alm da informao sobre a interligao dos equipamentos da subestao, tem o estado lgico atual dos componentes, sejam eles manobrveis( fechados ou abertos), ou no manobrveis(energizados ou no).

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Figura 1 - Diagrama com o fluxo de informaes do sistema proposto

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A modelagem para tratamento de alarmes[7]. [8], [9] est baseada em um arquivo de fatos contendo os alarmes gerados pelo sistema de superviso, que podem ser de trs tipos bsicos: valores de medies de grandezas eltricas, como por exemplo a tenso em valor eficaz de uma barra ou a corrente passante em um ramo da subestao: a sinalizao que alguma varivel excedeu um limite pr-detenninado, como por exemplo a corrente que passa em um transformador excedeu o limite de sobrecarga admssivel em um detenninado perodo de tempo: a sinalizao da atuao de um dispositivo de proteo, por exemplo a atuao de um rel de sobrecorrente instantneo de um alimentador de sada da subestao ou ainda a atuao do disjuntor que disparado por este rel.

A subestao utilizada tem 83 alarmes digitais supervisionados, 12 pontos de comando de disjuntore e 17 pontos de medio analgicos. Os alarmes foram simulados em arquivos ASCII baseados em listas de alarmes fornecidas pela empresa concessionria de energia. A sintaxe dos alarmes j como um predicado do Prolog tem a seguinte forma:

alarme( data, hora, descrio do alarme, equipamento associado) Outro componente importante do modelo de tratamento de alarmes so as regras que eliminam os alarmes

falsos, os redundantes e aqueles que associados com outros podem ser substitudos por um alarme mais geral. Alarmes intermitentes e alarmes que checados com outras informaes levam a concluso que o alarme falso, devem ser eliminados da lista de alarmes tratados. O resultado final do tratamento de alarmes uma lista reduzida de alarmes que facilitar ao operador a tirar concluses em nvel hierrquico mais elevado e sem alannes repetidos e redundantes.

O sistema de localizao de defeitos[10], [llt [12], [13] usar as informaes obtidas dos alarmes gerados pelo sistema de superviso e controle e a informao do estado dinmico dos rels e dos dispositivos de secccionamento, como disjuntores e chaves telecomandadas manobrveis. Com estas informaes e com a topologia da subestao e o alcance das zonas de proteo associadas a cada sistema de proteo, o sistema poder gerar um diagnstico de localizao e do tipo da provvel perturbao, que gerou aquele nmero grande de alarmes e alterou a configurao de operao estvel da subestao. Para se localizar defeitos ou causas de defeitos muito inportante a sequncia temporal dos alarmes e sua interrelao, para que se possa checar a sequncia lgica de disparo de rels primrios e de retaguarda e de seus dispositivos de seccionamento associados.

O sistema de reconfigurao[14], [15] dever, atravs da informao da topologia da subestao aps a perturbao e utilizando os resultados dos sistemas de tratamento de alarmes e de localizao de defeitos, determinar as possibilidades de socorro dos trechos da subestao que foram desenergizados. ou seja, orientar transferncias de cargas entre barras da subestao. Para atender as cargas com um grau aceitvel de continuidade e qualidade de fornecimento, devem ser respeitados os critrios de sobrecarga dos equipamentos. A presena de consumidores com graus de prioridade de atendimento diferenciada e a limitao do nmero de chaveamentos necessrios, podem ser critrios ~dotados para definir qual plano de manobras deve ser implementado na reconfigurao.

O sistema de reconfigurao utiliza um modelo de grafos para representar os componentes da subestao. Neste modelo os disjuntores. chaves . transformadores e outros equipamentos so arcos e os pontos de interconexo dos equipamentos e as barras so os ns do grafo. A figura 2 mostra um trecho de um unifilar e o grafo equivalente.

A comunicao entre os sistemas especialistas ser feita atravs de arquivos que auxiliaro na tarefa de se atingir o objetivo de cada um deles. Cada sistema especialista pode gerar, ao atingir seu objetivo, uma srie de dados que podem servir como fatos novos aos outros sistemas especialistas.

2.2 - As bases de conhecimento utilizadas

As bases de conhecimento utilizadas no prottipo foram levantadas atravs de coletas de dados junto ao pessoal da operao da referida empresa concessionria. Este um procedimento fundamental no desenvolvimento de sistemas especialistas : a coleta e organizao da informao e experincia especializadas. Os principais tipos de dados e informaes utilizados foram:

- diagramas unifilares com dados da proteo, - diagramas sequenciais~ - calibrao dos rels; - listas de alarmes, - listas com pontos de aquisio de sinais analgicos, -listas de equipamentos com comando remoto:

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- nonnas de procedimentos operacionais[l6] . importante ressaltar que todos os dados e informaes foram analisados e discutidos com o pessoal da

concessionria. a qual a subestao pertence. de modo a coletar toda a experincia e prtica associadas s mesmas. Tambm foi feita uma visita a SE e ao centro operacional da distribuio da cidade a qual pertence a SE: l foi gravada uma fita de vdeo mostrando os vrios estados de automao das subestaes locais. Durante a filmagem foram feitas entrevistas com os operadores sobre os procedimentos operacionais durante situaes de emergncia e sobre os meios de annazenamento de informao. Este filme foi tambm uma fonte de referncia bastante importante para a elaborao das bases de conhecimento.

2.3 - A interface homem-mquina

A interface homem-mquina efetuada atravs de mens de opes do tipo IIpull-down". Em algumas opes o usurio poder interagir, via teclado para entrar com os dados necessrios para executar aquela opo. A interface homem-mquina tambm se dar atravs da visualizao da representao grfica do unifilar da subestao, que mostrar o estado atual de cada equipamento. A possibilidade de visualizar arquivos histricos de dados da rede e os processos de encadeamento de regras para chegar a alguma concluso( explicao do "raciocnio"), tambm so caractersticas importantes desta interface.

Existe ainda a possibilidade de se incluir ou alterar as regras dos sistemas especialistas atravs de um editor de regras, que ser utilizado pelo engenheiro de conhecimento.

A interface possui 5 menus, sendo que o principal permite o acesso aos outros 4 menus. O segundo menu permite a visualizao do desenho unifilar da SE antes e depois do tratamento de

alarmes. A alterao do desenho feita utilizando a informao de um arquivo com dados das coordenadas do desenho dos smbolos de cada equipamento e de dois arquivos contendo os estados operacionais de cada equipamento antes e depois do tratamento de alarmes. Desta maneira depois do tratamento de alarmes pode-se desenhar a subestao com o seu novo estado operacional. A cor vermelha representa o estado energizado do equipamento e a cor verde representa o estado desenegizado. O disjuntor, representado por um quadrado, quando est ligado tem o seu interior cheio e quando est desligado tem seu interior vazio.

DIAGRAMA TPICO DE UM TRECHO DE UMA SUBESTAO

DIAGRAMA EQUIVALENTE EM ARCOS E NS

Figura 2 - Diagrama unifilar de un trecho de uma subestao e seu grafo equivalente.

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o terceiro menu realiza o tratamento de alarmes usando os arquivos de alarmes, o arquivo de estados operacionais iniciais e as regras de tratamento de alarmes. So gerados arquivos de alarmes tratados e do novo estado operacional da SE.

O quarto menu executa a localizao de defeitos utilizando os arquivos de alarmes. os de estados operacionais iniciais e novos e as regras de localizao de defeitos. gerado um arquivo com a localizao e causas dos defeitos.

O quinto menu executa a reconfigurao da SE utilizando os arquivos de interligao da SE(grafo), o de estados operacionais novos. os resultados da localizao de defeitos e as regras de reconfigurao da SE. gerado um arquivo com as listas de caminhos possveis para alimentar as cargas desenergizadas(listas de manobras).

2.4 - Validao do prottipo

Uma transferncia automtica de linha com a presena de inmeros alarmes intermitentes, uma simulao da perda de um dos transformadores e finalmente simulaes de perdas de vrios alimentadores foram simuladas. As simulaes foram realizadas utilizando arquivos ASCII com os alarmes correspondentes e arquivos com informaes do estado lgico e dinmico dos equipamentos. Os resultados obtidos pelos sistemas especialistas para estas simulaes tiveram um grau de acerto de 100%. Apesar dos resultados promissores~ h a necessidade de gerar mais casos testes, com uma combinao muito maior de alarmes para verificar o modelo de regras que foram utilizadas em cada sistema especialista proposto.

3 - CONCLUSES E SUGESTES PARA FUTUROS TRABALHOS

A rea de aplicaes de sistemas especialistas sistemas de potncia se mostra muito promissora, o que pode ser facilmente percebido pelo elevado e crescente nmero de trabalhos apresentados a cada ano. Pelas pesquisas realizadas, principalmente pela CIGR, percebe-se tambm que ainda no h confiana total no potencial dos sistemas especialistas e no seu desempenho, e que a execuo de testes bastante importante para firmar esta tecnologia. Por outro lado. h grandes expectativas com relao novas tcnicas de desenvolvimento de sistemas especialistas como a modelagem por objetos, o processamento paralelo, etc. Existe tambm um esforo na utilizao de outras tcnicas de inteligncia artificial em problemas de sistemas de potncia como por exemplo as redes neurais, a lgica "fuzzy" e os algoritmos genticos. H tambm uma linha de trabalho que tenta integrar os sistemas especialistas com os ferramentas que tenahm processamentos algoritmicos, como por exemplo, a programao linear, inteira e dinmica e tambm com as ferramentas clssicas de anlise de sistemas de potncia, como os programas de fluxo de potncia, de clculo de curto-circuito, de estudos de estabilidade e de confiabilidade. Outras tcnicas de modelagem. como redes de Petri. que utilizada para modelar sistemas dinmicos no tempo, tambm tem sido utilizada em problemas de modelagem da atuao da proteo.

O enfoque deste trabalho foi uma aplicao operao de subestaes. visando a melhora da operacionalidade do sistema, considerando principalmente as dificuldades em investir em uma melhora da rede e tambm o elevado nmero de informaes recebido, nos novos sistemas digitais de coleta de infonnaes, pelo operador de uma SE, ou de um sistema regional(COR) ou ainda de um sistema central(COS).

A SE utilizada, sendo de pequeno porte e de configurao simples(barra simples com barra de transferncia) e tambm tendo um nmero de pontos de alarme pequeno e com informaes limitadas da medio analgica, acabou limitando o potencial de desenvolvimento das regras, principalmente no sistema especialista para localizao de defeitos.

A falta de alarmes associados a todas as chaves da SE dificultou a gerao de algumas regras ou mesmo a atualizao da estado operacional da rede. Uma soluo para isto seria implementar um editor de estado operacional das chaves~ no qual o operador atualizaria aps uma perturbao ou mesmo uma manobra.

A interface desenvolvida se mostrou muito amigvel devido a possibilidade de visualizao do estado de cada equipamento apresentado na representao unifilar. O uso de menus tambm facilitou a "navegao" pelas aplicaes.

A possibilidade de se armazenar os resultados em arquivos tipo ASCII para uma posterior anlise tambm um recurso que torna o sistema muito prtico.

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As simulaes de perturbaes. efetuadas atravs de listas de alarmes e de topologias iniciais da SE geraram resultados coerentes quando processadas pelos sistemas de tratamento de alarmes. localizao de defeitos e reconfigurao da SE.

importante ressaltar que a fase do levantamento do conhecimento foi muito produtiva pois a concessionria que forneceu as informaes permitiu uma visita a subestao de interesse e ao COD a que ela est vinculada. o que que resultou em uma srie de esclarecimentos que o pessoal do escritrio no poderia dar.

Potencialmente os prottipos desenvolvidos podem evoluir, atravs da gerao de mais casos testes e da utilizao por operadores. que podero detectar falhas e sugerir melhorias na interface e mesmo no conjunto de regras utilizadas.

A utilizao da linguagem Prolog se mostrou eficiente para implementar o prottipo rpidamente, embora se visualizasse que o uso de uma liguagem que permita um ganho de velocidade e que tenha mais recursos. principalmente de interface grfica, podero permitir o desenvolvimento de sistemas especialistas mais sofisticados e assim possibilitar a integrao com um sistema de superviso em tempo real. A possibilidade da utilizao de medidas analgicas de tenso. corrente ou potncia. com uma taxa de atualizao maior nas regras dos sistemas especialistas, tambm poder tomar o nvel de desempenho mais elevado.

REFERNCIAS BmLIOGRAFICAS

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[13] McDonald, 1. R.; Burt, G. M.; Young, D, 1. - "Alarm Processing and Fult Diagnosis using Knowledge Based Systems for Transmission and Distribution Network Control" - IEEE Transactions on Power Systems, Vol 7, No 3, August 1992, pp 1292-8.

[14] Zhang, Z. Z.: Hope. G. S.; Malik, O. P. - "A Knowledge-Based Approach to Optimize Switching in Substations" - IEEE Transactions on Power Delivery. VoI. 5~ No. L January 1990, 103-9.

[15]Kumano, S.; et alI - "Development of Expert System for Operation at Substation" - IEEE Transactions on Power Delivery~ Vol 8~ No 1, January 1993, pp 56-65.

[16] Necessidades bsicas para automao de SE's em derivao. So Paulo. CESP. 1992. Documento interno