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XXXV Congresso Brasileiro de Educao em Engenharia COBENGE 2007 1P32 - 1

DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE DIDTICO PARA

ANLISE DO CLCULO DE FLUXO DE POTNCIA PF ANALYST

Vincius Jos Lindolpho Antunes vinicius.jlantunes@gmail.com Universidade Federal do Paran, Setor de Tecnologia, Departamento de Eng. Eltrica Rua Ubaldino do Amaral, 1530, apto. 153 80060-190 Curitiba PR Odilon Luis Tortelli odilon@eletrica.ufpr.br Universidade Federal do Paran, Setor de Tecnologia, Departamento de Eng. Eltrica Centro Politcnico da UFPR (cx. postal 19.011) 81531-990 Curitiba PR Fbio Alessandro Guerra guerra@lactec.org.br Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento LACTEC, Diviso de Sistemas Eltricos BR 116, km 98, S/N Centro Politcnico da UFPR (cx. postal 19.067) 81531-980 Curitiba PR

Resumo: A Anlise de Sistemas Eltricos de Potncia uma das disciplinas fundamentais de um curso de Engenharia Eltrica, e os temas relacionados a ela so importantes para muitos outros estudos de grande importncia na rea de Sistemas Eltricos de Potncia (SEP), tais como estabilidade, planejamento, controle e anlise de segurana, etc. O clculo de fluxo de potncia uma das ferramentas bsicas para estes estudos. Atravs dele determina-se o estado de operao de um sistema eltrico para uma dada condio de gerao e carregamento. Isto posto, evidente a importncia do domnio desta ferramenta, afim de utiliz-la no contexto mais abrangente das diversas reas anteriormente citadas. O presente trabalho descreve a ferramenta didtica desenvolvida para estudos de SEP, o PF Analyst. Trata-se de um software que permite simular sistemas eltricos de potncia e visualizar os resultados em forma de grficos e tabelas, ao invs das extensas listagens numricas resultantes deste tipo de clculo. O software integra todo o processo de simulao, desde a entrada de dados at a visualizao dos resultados, passando pela definio dos parmetros de execuo e sua efetiva execuo. O motor de clculo utilizado o MATPOWER, ferramenta de cdigo aberto que implementa os algoritmos mais comumente utilizados para o clculo de fluxo de potncia. O PF Analyst desenvolvido em linguagem de programao C++. Palavras-chave: Fluxo de potncia, Software didtico, Anlise de Sistemas Eltricos de Potncia

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1 INTRODUO

1.1 Contextualizao

Disciplinas de anlise de sistemas eltricos de potncia so parte do currculo da grande maioria das escolas de engenharia eltrica, servindo de base para disciplinas mais avanadas, que abordam temas como estabilidade, planejamento e controle de sistemas eltricos, etc. Uma ferramenta fundamental para o estudo de sistemas eltricos o clculo do fluxo de potncia. Atravs dela, possvel determinar o estado operacional do sistema, descrito em termos da tenso complexa nas barras, para uma dada condio de gerao e carregamento, e com isso, determinar os fluxos de potncia em todos os elementos que constituem a rede eltrica, tais como linhas de transmisso e transformadores.

O clculo do fluxo de potncia envolve a soluo de equaes no-lineares por meio de mtodos iterativos, em geral, baseados no mtodo de Newton. Uma tradicional e conceituada referncia sobre o tema (MONTICELLI, 1983).

Outra caracterstica dos estudos envolvendo o sistema eltrico o fato de que os sistemas tratados so geralmente muito grandes, contendo milhares de elementos de circuito, incorrendo na necessidade de se efetuar dezenas de milhares de equaes algbricas elementares, tarefa invivel de ser executada por um ser humano em termos de tempo e preciso. Isto torna o uso de computadores a nica forma de viabilizar a resoluo de tal problema (ELGERD, 1981).

1.2 Proposta

Um software de clculo reconhecidamente poderoso e de amplo uso pela comunidade cientfica o Matlab, da MathWorks. Esta ferramenta se destaca pela facilidade de programao e sua grande eficcia na manipulao de matrizes, alm da existncia de muitas funes pr-definidas para uso nas mais diversas reas de aplicao. Neste sentido, o uso desta ferramenta encorajado entre os alunos de engenharia em vrias disciplinas, inclusive nas relacionadas anlise de sistemas eltricos. Isto motivou o surgimento do MATPOWER. O MATPOWER um pacote de simulao para sistemas de potncia desenvolvido para o Matlab e distribudo gratuitamente pelos desenvolvedores, pesquisadores da Cornell University dos Estados Unidos (ZIMMERMAN et al., 2007).

Em disciplinas que abordam o clculo do fluxo de potncia, fundamental que o aluno seja estimulado a realizar simulaes com diversas redes eltricas, a fim de observar os resultados e poder analis-los face a vrias condies de operao e com isso relacion-los aos fundamentos tericos vistos em aula. A melhor forma de se fazer a anlise dos resultados atravs de grficos e tabelas, haja vista a capacidade destes recursos de resumir o grande volume de dados numricos gerados, e assim, propiciar ao aluno maior compreenso acerca desses resultados.

Embora o MATPOWER seja uma ferramenta bastante eficiente para execuo das simulaes, sua interface de uso muito rudimentar. A entrada de dados do sistema feita atravs de matrizes em formatos definidos, e no h nenhuma ferramenta que facilite a criao destas listagens de dados de entrada. Os resultados da simulao so armazenados tambm em matrizes onde nenhum tipo de tabela ou grfico gerado. Ao final da simulao, exibido na tela um resumo com praticamente todas as informaes pertinentes, mas que no adequado para uso em um relatrio ou ferramenta auxiliar de anlise, tal como uma planilha do Excel. A Figura 1 ilustra um trecho de um arquivo de entrada de dados, e a Figura 2, o extrato exibido na tela aps a simulao e um trecho de uma matriz de resultados.

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Figura 1 - Trecho de uma matriz de entrada de dados.

(a) (b)

Figura 2 - Resultado da simulao a) exibido na tela e b) em forma de matriz.

Nesse contexto, apresentada a criao de uma ferramenta didtica para estudo e anlise

de fluxo de potncia, chamada PF Analyst. O intuito desta ferramenta incorporar o programa de clculo j existente e provido gratuitamente (MATPOWER) a uma interface amigvel que permita ao aluno usar seu tempo na anlise dos resultados, ao invs de desperdi-lo na manipulao das matrizes de resultados ou na complicada escrita e modificao dos arquivos de entrada de dados.

Os seguintes tpicos foram alvos do desenvolvimento desta ferramenta didtica: Entrada de dados; Execuo da simulao; Exibio dos resultados.

A Figura 3 ilustra como a ferramenta didtica se encaixa no processo normal de simulao e estudo de fluxo de potncia.

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Figura 3 - Uso da interface proposta em comparao com processo atual.

2 PF ANALYST: UM SOFTWARE DIDTICO PARA ENSINO E ESTUDO DE FLUXO DE POTNCIA

2.1 Viso

O software proposto visa preencher parte da lacuna existente no tocante a ferramentas didticas para ensino de engenharia. notvel, em mbito nacional, a falta de ferramentas de cunho didtico voltadas ao ensino de engenharia. Alm disso, aquelas utilizadas so em sua maioria estrangeiras, normalmente nem mesmo contando com uma verso em portugus. Exemplo disso so softwares de simulao de circuitos tais como PSpice, Electronics Workbench, ou programas para instrumentao tais como LabView. Cabe ainda observar que estes softwares citados no so voltados a fins didticos, embora se prestem parcialmente tambm a esse propsito.

No tocante ao estudo de sistemas eltricos de potncia, o que se oferta ao aluno e aos professores so as ferramentas desenvolvidas para uso profissional, algumas de desenvolvimento nacional, tais como o Anarede. O uso desse tipo de ferramenta, embora sirva para aproximar os estudantes da realidade das concessionrias e empresas de energia, no de grande valia no auxlio sedimentao dos conhecimentos acerca do assunto e no aumento da capacidade de anlise e compreenso do problema de fluxo de potncia por parte dos alunos. Alm disso, por serem voltadas a sistemas reais, de grande porte, no so adaptadas a simulao de pequenos sistemas para teste: a entrada de dados trabalhosa se feita manualmente, a definio dos parmetros de simulao pode ser difcil e a traduo dos

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resultados numricos da simulao em grficos e outras formas de visualizao teis ao aprendizado demandam trabalho extra.

2.2 Arquitetura do sistema

O software proposto uma aplicao do tipo stand alone (ou seja, que no necessita de nenhuma das ferramentas de desenvolvimento para ser executada), desenvolvida em linguagem de programao C++, Borland Developer Studio 2006 (GUNTLE & SCHILDT, 2001). Portanto, o uso do MATPOWER no implica em vinculao do funcionamento do software proposto ao Matlab R2006a. Isso possvel atravs do uso do Matlab Compiler, que permite transformar uma rotina do Matlab em um programa executvel stand alone em C (SCHILDT, 1996) (MATSUMOTO, 2004) (CHAPMAN, 2003). Esta interligao ilustrada na Figura 4.

Figura 4 - Interligao entre Borland C++ Builder (PF Analyst) e Matlab (MATPOWER).

Existem etapas bem definidas na execuo da simulao. Primeiramente, o usurio insere

os dados do sistema eltrico. Esses dados so exportados para um arquivo tipo texto que ser lido pelo MATPOWER (j transformado em um executvel stand alone em C), que executar todos os clculos e retornar os resultados novamente para a aplicao principal, onde sero gerados grficos e tabelas. Convm ainda ressaltar que, para o usurio, este passo em que a aplicao principal executa a aplicao auxiliar de clculo e aguarda o retorno dos resultados transparente. Do ponto de vista do usurio, s