Ferramentas Computacionais Inteligentes Aplicadasà Automação da Operação de Subestações de

Alta Tensão

Jacqueline G. RolimFrancisco C. Leite Brasil

Departamento de Engenharia ElétricaUniversidade Federal de Santa Catarina

Florianópolis - SC - Brasile-mail: jackie@labspot.ufsc.br

carlos@labspot.ufsc.br

Abstract: This work aims to discuss tools that automate tasks which are usually performed byoperators of transmission and distribution high voltage substations, or to support them in other tasks,particularly interlocking of equipments and restorative control. These tools would be useful either inthe case of remote control of substations without local operators, or in the case of those substationswhich maintain a team of local operators, because oftheir strategical importance to the system .

Resumo: Este trabalho visa discutir ferramentas para automatização de funções atualmentedesempenhadas por operadores de subestações de transmissão e distribuição de energia elétrica etambém para apoio aos mesmos em outras tarefas , particularmente intertravamento de equipamentos erecomposição. Estas ferramentas seriam úteis tanto no caso do controle a distância de subestaçõesdesassistidas, quanto no caso das subestações que por sua importância estratégica permanecem comequipe de operadores no local.

1. IntroduçãoOs sistemas elétricos de potência têm basicamente afunção de gerar, transmitir e distribuir energiaelétrica, atendendo à carga de maneira confiável, comqualidade e economia.

A questão da confiabilidade está ligada . à

capacidade do sistema suportar a perda dedeterminados equipamentos, por exemplo uma linhade transmissão que teve torres derrubadas por umvendaval , sem que isto ocasione o não atendimentode consumidores; enquanto que a qualidade étraduzida por níveis de tensão e freqüência dentro doslimites de operação; e a economia pelo controle dadistribuição da geração e operações de intercâmbiode energia entre empresas. reduzindo custos .

O planejamento e a operação destes sistemas sãotarefas extremamente complexas, que envolvemvárias empresas operando interligadas e a previsão defatores como comportamento da carga futura eafluências aos reservatórios das usinas hidrelétricas.

Tanto o planejamento da expansão quanto o daoperação são feitos em várias etapas cronológicas,sendo a última uma programação diária hora a hora,

382

onde são fornecidas, entre outras informações, oquanto cada gerador deve fornecer de energia, emque valores devem ser mantidas as tensões e osvalores contratados de intercâmbios entre empresas.

A supervisão e controle da operação em temporeal ::los sistemas de potência são feitos nos centrosde operação das empresas, onde despachantes, emcontato com operadores das usinas e subestações desua empresa e outros despachantes ' de empresasinterligadas, mantêm o sistema operando emcondições apropriadas . Para tanto. realizam ajustesem relação a programação diária citadaanterio rmente, os quais são necessários devido adiferenças entre as cargas e condições hidrológicasprevistas e as atuais, al ém da saída forçada deequ ipamentos para manutenção.

Os despachantes nos centros de operação têmvárias funções. tais como controle de tensão, controlede carga e freqüência, controle de serviços, coleta dedados e recomposição do sistema após contingências;tarefas essas dificultadas pela escassez de recursosque tem levado os sistemas elétricos a operarem pertodos seus limites de capacidade.

Para atender a estas tarefas, contando com apoiode manuais e algumas ferramentas computacionais, odespachante pode atuar em alguns controlesremotamente (posição de tap de algunstransformadores, por exemplo), mas em grande partedos casos é necessário um contato entre despachantee operador da subestação envolvida, solicitando queo mesmo tome providências.

No Brasil todo o processo é coordenado peloCNOS - Centro Nacional de Operação dos Sistemas -e é possível graças a existência de recursoscomputacionais e de telecomunicações apropriados,que interligam o CNOS, os centros de operação de 10empresas convencionadas e da Itaipu Binacional.

Tanto a nível de sistema como a nível desubestação tem-se procurado automatizar algumasfunções mais simples realizadas por operadores edespachantes (por exemplo emissão de relatórios) edesenvolver ferramentas que os apoiem nas tarefasque envolvem tomada de decisão, como por exemploo controle de tensão [Rolim (1995)] .

Existe uma tendência atual de retirar osoperadores de algumas subestações mais simples, quesão então chamadas de "desassistidas", passando asupervisão e o controle destas subestações parasubestações vizinhas, chamadas "supervisoras"transformando-as em pequenos centros de controleregionais. Este processo se encontra em fase deimplantação em várias concessionárias brasileiras[Ribeiro et. AI (1996)] seguindo uma tendênciamundial [Smith (1996)] .

Este artigo apresenta um ambiente de apoio aoperação de subestações iniciado em [Fernandes(1995)]. Naquela etapa as funções que seriamincluídas neste sistema de apoio (chamado SAOSE)foram defin idas e colocadas na forma de protótipos, ea interface gráfica amigável (utilizando Visual C++)foi desenvolvida em um processo interativo comoperadores de subestações. Atualmente estão sendodesenvolvidas as funções de intertravamento erestauração do sistema após contingências que levema desligamentos definitivos, funções estasimplementadas na forma de sistemas especialistas emVisual Prolog e a serem discutidas nos próximositens.

O sistema de apoio a operação de subestações éintegrado a um simulador de sistemas de potência oque, além de facilitar o processo de validação da basede conhecimento, torna esta ferramenta ainda maisrealista para estudos e treinamento em operação desubestações de alta e extra alta tensão.

2. Restabelecimento de Sistemas de EnergiaGrande pane das contingências nos sistemas elétricossão fenômenos momentâneos que não levam adesligamentos definítivos, como no caso dasdescargas atmosféricas em linhas de transmissão.

383

No entanto , em contingências mais severasequipamentos permanecem fora de operação e apósanálise das causas da ocorrência e isolamento da áreacomprometida (se necessário) é iniciada a etapa derestauração da rede.

O restabelecimento do sistema é normalmentefeito em duas fases distintas, para as ações derecomposição, denominadas [Almeida et aI. (1995) ]:=:> fase fluente quando são executadosprocedimentos e ações previamente definidos com oobjetivo de recompor as áreas de auto-restablecimento e atender os montantes máximos decargas prioritárias definidas para esta fase;=:> fase coordenada - quando são executadas ações decontrole para o fechamento de 'paralelos' ou anéisentre as áreas já estruturadas durante a fase fluente epara ligações das cargas adicionais.

Com a retirada dos operadores de algumassubestações o índice de freqüência equivalente deinterrupções em consumidores e o índice de duraçãodestas interrupções aumentam consideravelmente[Tripodi et aI. C1995)]. O aumento da freqüência dasinterrupções se justifica pela redução noacompanhamento regular dos equipamentos nasubestação, já que faz parte das tarefas dosoperadores uma inspeção visual diária, buscandoantecipadamente algum indício de falha .

Já o aumento da duração das interrupções seexplica pela necessidade de deslocar equipes àsubestação para verificação local da ocorrência.Logicamente, pode-se minimizar estes períodos deinterrupção se apenas em casos extremamenteespeciais e raros for necessário deslocamento depessoal antes de restaurar o sistema. Isto pode serfeito provendo o operador remoto com informaçõescompletas e confiáveis. além de software de apoio,que lhe permitam diagnosticar a ocorrência, isolar aparte afetada nos casos necessários (a qualposteriormente será tratada pelas equipes ' demanutenção) e recompor o sistema.

Sistemas inteligentes vem sendo propostos etestados em praticamente todas as fases que vãodesde o instante da ocorrência ao restabelecimento dosistema, ou seja, desde a filtragem dos alarmes ediagnóstico de faltas até o restabelecimento na fasefluente e na fase coordenada. A opção pelo uso deinteligência artificial nestas ferramentas vem dadificuldade de dar um tratamento convencional aestes problemas e por ser o conhecimento envolvidonestas tarefas muitas vezes já estruturado na forma deregras incluídas em manuais e instruções de operaçãoou descritas por operadores experientes.

3. Intertravamento entre EquipamentosApós a ocorrência de uma falta geral ou parcial oobjetivo básico por parte dos operadores é garantir acontinuidade de energia através do restabelecimento

-- - - -- - ------

do sistema em um mínimo tempo possível. Para tanto,torna-se necessário que se efetue certas manobras,envolvendo abertura/fechamento de disjuntores echaves seccionadoras. Todas essas manobras só serãopossíveis desde que satisfaçam certas restrições deoperação, condizentes tanto aos equipamentos quantoao sistema no geral, tais como [ Dhakal e Sachdev(1995)] :• Um disjuntor não deve ser fechado quando uma

de suas chaves isoladoras estiver ligada;• No caso de energização de um circuito primeiro

fecha-se as chaves seccionadoras, e só depois odisjuntor;

• Um disjuntor não deve ser ligado se há falta nocircuito isolado por ele;

• Durante a restauração de energia em um circuitodeve-se fechar primeiro as chaves mais próximasda fonte ficando as mais distantes por último;

• O fechamento de um disjuntor não pode criar umaconfiguração em que os níveis de falta excedemos níveis do disjuntor;

Estes critérios sofrem alguma var iação de empresa aempresa.

No dia a dia da operação de subestações a rotinados operadores é tranqüila, sendo as ocorrênciaspouco freqüentes, algumas extremamente raras .

No entanto, quando há uma contingência, ogrande volume de atividades que devem seranalisadas e executadas, sem perda de tempo, nomomento da restauração por parte dos operadores,leva a um maior risco de decisão errada.

Manobras errôneas poderiam ocorrer não só nocaso da recomposição do sistema após contingências,mas também, por exemplo, em uma determinadaseqüência dê manobras para desligamentos paraisolar um equipamento para manutenção, se ooperador esquece alguma manobra intermediária. Istodeve ser evitado por intertravamento.

O intertravamento também evita que após aatuação de determinados relés de proteção econseqüente abertura de disjuntores para isolar a faltaos mesmos sejam religados sem que o problema sejadevidamente verificado e sanado.

Em subestações convencionais o intertravamentoé feito de diversas formas, por exemplo:• para impedir que mais. de uma seccionadora de

transferência de uma determinada barra sejafechada no mesmo período de tempo, as chavesde comando das mesmas possuem apenas umpunho de acionamento, o qual só pode ser retiradode um painel para outro se a chave seccionadoracorrespondente estiver na posição aberta. Alémdisso, contatos auxiliares em série no circuito decomando, impedem a chegada de um sinal decomando na bobina de fechamento destas chavesse houver outra chave de transferência fechada nomesmo instante;

384

• algumas proteções de transformadores, barras ede falha de disjuntor além de provocarem aabertura de disjuntores para interromper a falta,acionam relés de bloqueio, que possuem contatosauxiliares nos circuitos de fechamento dosdisjuntores envolvidos que impedem que osmesmos sejam religados enquanto o problema nãofor sanada.Com advento da tecnologia digital tornou-se

possível os arranjos de intertravamento através decircuitos lógicos ou programação.

As restrições de intertravamento descritas nesteitem são facilmente colocadas na forma de regras aserem verificadas pelo sistema antes de efetivar umamanobra. Por exemplo, todas as chaves de comandocom final 1 ou 3 no setor de 138 kV (por exemplochaves 521 e 523 no circuito Rio do Sul 2 - rds .2 -mostradas na Fig. I) possuem como restrição paracomando o fato que o disjuntor correspondente nocircuito deve estar aberto (neste caso disjuntor 522).Como estas regras são bastante repetitivas, aimplementação é facilitada.

4. O Sistema de Apoio à OperaçãoA ferramenta apresentada neste trabalho tem oobjetivo de garantir a qualidade, confiabilidade eeficiência da operação da subestação, mesmo no casoda operação à distância. Trata-se da continuação deum sistema iniciado em [Fernandes (1995)], quandoaspectos básicos da ferramenta foram definidos e asfunções principais deste sistema foram colocados naforma de protótipos.

Continuando esta primeira etapa, estãoatualmente sendo implementados os sistemasbaseados em regras responsáveis pela funções derecomposição e intertravamento de uma subestação.

A subestação selecionada continua sendo asubestação de Blumenau (525/230/138 kV) daELETROSUL, devido a sua configuração bastantediversificada. Em uma etapa futura estes sistemasdeverão ser implementados para outras subestaçõesincluídas no simulador de sistemas de potência[Machado (1993)], devendo também seremadicionadas outras funções de apoio ..

O conhecimento necessário a estas funções vemsendo adquirido junto à fontes de informaçõeshumanas ( através de entrevistas com operadores edespachantes que descrevem seu dia a dia e suasexperiências em situações passadas), bem comoatravés da análise de manuais e instruções deoperação utilizados por estes operadores, além dadoshistóricos ( relatórios, registros de ocorrência, etc.)formando assim a base de conhecimento.

Não há intenção por parte da ELETROSUL deautomatizar a subestação de Blumenau e sim de queoutras subestações vizinhas eletricamente venham a

ser comandadas pelos operadores da SE Blumenau.Em entrevista realizada recentemente com operadoresdesta subestação lhes foi perguntado qual era a maiordificuldade da sua profissão e um operador(trabalham em turnos de dois), respondeu que era otempo consumido no aprendizado , que ele acreditater sido no seu caso em torno de dez anos. Estaafirmativa reforça a necessidade de ferramentas deapoio, mesmo no caso de subestações comoperadores locais, principalmente porque a carga detarefa dos mesmos deverá aumentar com o comandoa distância de outras subestações.

Alguns trabalhos encontrados na literaturatécnica desta área propõem métodos para encontrar aseqüência de manobras adequada para recompor asubestação [Dhakal, Sachdev (1995)], [Zhang et aI.(1990)]. No trabalho aqui sendo descrito partiu-sedas regras já definidas previamente e em uso nosistema real.

Pode-se observar na Fig.l a interfacehomem/máquina do sistema de apoio a operação daSE Blumenau, representada na tela domicrocomputador pelo seu diagrama unifilar.Através desta interface, utilizando o mouse, ooperador pode manobrar equipamentos (disjuntores/chaves seccionadoras motorizadas) , alterar posiçãode tap dos transformadores e obter informações sobreequipamentos e medidas .

A interface gráfica é um aspecto de extremaimportância em ferramentas computacionais que sãoempregadas em situações críticas, ou de emergênciaem centros de controle [Vale et aI. (1996)] ousubestações, pois é através dela que o operadorinterage com o sistema.Na tela básica do sistema de apoio o operador temacesso a informações relativas às tensões nas barrasda subestação e a indicação gráfica do estado dosequipamentos (ligado/desligado), sendo que as coresdas barras indicam o nível de tensão (525, 230 ou138 kV). Se o operador desejar informações maisdetalhadas sobre o perfil de tensões ou carregamentonas linhas de transmissão de sua região (funçõesneste caso desempenhadas pelo simulador), porexemplo, pode obtê-Ias através do menu apresentadono canto inferior direito da tela.

A função intertravamento é chamadaautomaticamente quando o usuário tenta um comandomas se o mesmo quiser verificar que. condiçõesdevem ser satisfeitas para a operação , também podefaze-lo através do menu. Esta opção éparticularmente interessante quando o sistema nãoautoriza um comando.

A função recomposição é a mais complexa poisdeve prever todos os desligamentos possíveis (geral,por barramento, ou parciais) na subestação e respeitaras restrições de operação.

10'- JOI- p aSI STEMA SUL - REDE 500 KV 1230 KV EEL - UFSC - 1996

108SUBESTACAOGSPLABSPOTREDESUL

52 kV" 1061Y,1062, 1063

J065

[:,070r-1077 ;' 1075"-r\1073') 01072

t: 1071

DEYO

Figl - Tela Principal do Sistema de Apoio à Operação da SE Blumenau

385

A subestação de Blumenau tem recomposiçãofluente e, a princípio, as únicas manobras que osoperadores não podem efetuar sem contato com osdespachantes no centro de operações do sistema sãorelacionadas ao reatorda barra de 500 kV.

Apenas para exemplificar a quantidade deinformações envolvidas no processo estão descritasna Fig. 2 as etapas envolvidas na energização daLinha de Transmissão Blumenau-Palhoça 230 kV

(circuito PAL indicado na Fig. 1) após desligamentoautomático, que não seja por atuação do relé de sub-freqüência. As condições de energização citadas nofluxograma da Fig. 2 são entre outras: tensão na barrade 230 kV dentro da faixa estabelecida para controlede tensão nesta subestação (de acordo com o períodode carga); freqüência igualou superior a 60 Hz; nãodeverá haver sobrecarga na linha de 525 kV e nostransformadores 525/230 kV.

Fig. 2 - Fluxograma das Ações Básicas do Operador para Religar a LT Palhoça 230 kV

Pode-se também verificar que em determinadascircunst âncias, por exemplo, se o circuito em questãonão aceitar o religamento, o operador deveráconsultar o centro de operações (COS) antes de tomarnovas . providências pois é no COS que osdespachantes têm uma visão do sistema como umtodo e são decididos os casos mais complexos.. Os procedimentos descritos no fluxograma da

Figura 2 também são facilmente colocados na formade regras na base de conhecimento de um sistemaespecialista; cabendo ao respectivo mecanismo de

386

inferências, executar as ações relacionadas às regrascujas condições são satisfeitas.

5. ConclusõesNeste processo inicial de automação de subestaçõesconvencionais de transmissão e distribuição, que vemacontecendo no sistema elétrico brasile iro, funçõespreviamente efetuadas por hardware, como ointertravamento, podem ser também incluídas nosprogramas de apoio, havendo uma certa duplicação.A própria monitoração das grandezas elétricas já é

BasedIEEE

duplicada, uma vez que apesar dos transdutores- ·instalados e envio das informações ao centro deoperações através das Unidades Terminais Remotas ,as quais também são disponíveis localmente,permanece a leitura tradicional dos medidores nospainéis. .

Em um próximo estágio se espera que os painéisde controle tradicionais, com seus medidores,anunciadores de alarme, chaves de comando, etc.,sejam completamente substituídos pelo uso doscomputadores nas novas subestações, os quais alémterem algumas funções anteriormente incluídas nospainéis, teriam sistemas para apoio aos operadoresnos processos de tomada de decisão.

Neste trabalho foram discutidas duas funçõesque vem sendo implementadas através de sistemasespecialistas em um sistema de apoio à operação:• intertravamento - tradicionalmente implementado

por hardware,• restabelecimento - trad icionalmente uma função

do operador, com apoio apenas de volumosasinstruções de operação.Os sistemas especialistas para seqüência de

chaveamentos e intertravamento atuam comoassistentes do operador de subestações, reduzindo orisco de erros e diminuindo o tempo para restauraçãodo sistema após desligamentos definitivos. Sãotambém aplicáveis a treinamento de operadores,dev ido a interface gráfica interativa e mecanismo deexplicação.

Em um estágio seguinte, com vários problemasainda a serem reso lvidos , se espera uma completaintegração dos sistemas de monitoração, controle eproteção das subestações, aumentando aconfiabilidade na operação e reduzindo custos,através da eliminação de painéis e 'grande volume decabos .

6. AgradecimentosOs autores agradecem o apoio financeiro recebido doCNPq e da Universidade Federal de Santa Catarina,através do Projeto FUNPESQUISA

7. Referências BibliográficasP. C. Almeida et aI. - Estudos para a Validação dos

Procedimentos da Nova Filosofia deRecomposição do GCOI - Detalhamento dosEstudos e Exemplificaçãopara a Área do Rio deJaneiro - 5°. EDAO - Encontro para Debates deAssuntos de Operação, Foz do Iguaçu , PR,Dez./1995, pp 62-79 .

R. S. Tripodi, et. aI. - Sistema de Automação deSubestações Desassistidas - Projeto SASD - XIIISNPTEE (Seminário Nacional de Produção e

387

Transmissão de Energia Elétrica - BalneárioCamboriu, SC, Out.l95, FLlGOP/17.

P. Dhakal ; M.S. Sachdev, - A ComputerSubstation Switching SchemeWESCANEX, 1995, pp 30-35.

R. C. Fernandees, - Sistema de Apoio à Operação deSubestações de Alta ' Tensão - SAOSEDissertação de Mestrado, UFSC, 1995.

H. L. Smith, - Substation Automation - Problems andPossibilities - IEEE Computer Applications inPower, Vol. 9, No. 4, Oct. 96, pp 33-36.

Z. Vale; L. Faria; M.F. Fernandes; A. Marques, -Towards More Intelligente and Adaptlve UserInterfaces for Control Center Applications -International Conference on Intelligente SystemsApplications to Power' Systems, USA, Feb.1996.

J.G. Rolim - Sistema Especialista para Apoio aoControle da Tensão/PotênciaReativa, IncluindoManobras sobre a Topologia da Rede - Tese deDoutorado. UFSC, 1995.

G.M. Ribeiro, L.B. de Moraes, F.B. Cordeiro e C.B.Boechat - Estudo de Custo e Beneficios daAutomação de Novas.Subestações - SIMPASE,1996.

LJ.B. Machado - Simuladores de Sistemas dePotência para Treinamento de Operadores - 4°.EDAO, Encontro para Debates de Assuntos daOperação, CESP, São Paulo, SP, Nov. 1993.

Z.-Z. Zhang; G.S. Hope; O.P. Malik, - A knowledge-based approach to optimize switching insubstations - IEEE Trans. On Power Delivery,Vol. 5, No . I, Jan. 1990, pp 103-109.