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ESRASE - Sistema Especialista para Restabelecimento Automático· de Subestações

G.M. Ribeiro l,2 c.I.A. Costal G. Lambert-Torres l A.P. Alves da Silva I

1. Escola Federal de Engenharia de Itajubá Av. BPS, 1303 Itajubá 37500-000 MG

Fone: (035)629-1240 Fax:(035)629-1187 E-mail: BREFEI@BRUSP.bitnet

2. Companhia Energética de Minas Gerais - CEMIG Av. Barbacena, 1200 Belo Horizonte 30161-970 MG

~one:(031)349-2885 Fax: (031)349-4691

Abstract

Este artigo apresenta o Pacote Computacional ESRASE, que é um Sistema Especialista para Restabelecimento Automático de Subestaçôes (SE). A aplicaç~o do ESRASE na inferência do plano de manobras de restabe I ecimen to de SE possi bi I i ta a otimi zaç~o do proêesso que atualmente é idealizado e executado pelo operador da SE. Além de ser capaz de verificar e seguir toda a filosofia de restabelecimento da concessionária, o programa soluciona conflitos, é capaz de verificar a lógica das operaçôes de ·chaveamento e principalmente de absorver e agregar o conhecimento heuristico dos operadores mais experientes.

Palavras-chave: Sistemas Especialistas, Subestaçôes, Controle Inteligência Artificial, Opera~~o de Sistemas

Introduç~o

Automático,

o modelo energético na qual a sociedade se encontra atualmente estruturada, torna imprescindível o fornecimento continuo de energia elétrica, dentro dos padrôes de qualidade estabelecidos. A interrupç~o no fornecimento é considerada uma condiç~o anormal, onde tanto a sua abrangência como a sua duraç~o devem ser minimizados.

o restabelecimento da configuraç~o normal de operaç~o de uma subestaç~o (SE), após uma contingência, é feita atualmente através da intervenç~o do operador. Considerando a crescente complexidade nas topologias das SE, verifica-se um aumento tanto na probabilidade de falha humana, quanto no tempo gasto na execuç~o das açôes de restabelecimento [1].

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Este trabal ho propele a soluç~o deste implementaç~o de um Sistema Especial ista Automático de Subestaçeles (ESRASE).

problema através da para Restabelecimento

o uso de técnicas de Inteligência Artificial mostrou-se a me 1 hor ferramen ta para imp I emen taç~o de taref as comp 1 exas que necessi tem tomadas de decis~o. No caso do restabelecimento de subestaçeles, o ESRASE é capaz de diagnosticar uma falta através do · mon i toramen to das g randez as ana I óg i cas ( tens~o, corren te e freqüência) e digitais (estados de disjuntores, proteçeles atuadas, etc .. ). Sendo detectada uma contingência, o ESRASE gera descr i çeles das con f iguraçeles pré-f a 1 ta e pós-f a 1 ta. Através da análise destes cenários, a Base de Conhecimento cria uma série de sugesteles de manobras para que sej a possí vel retornar as cond i çeles pré-f a 1 ta. No caso de f a I has permanentes , as áreas afetadas s~o isoladas e o restabelecimento, se possível, ocorre por caminhos paralelos de modo a garantir a situaç~o mais próxima a ideal [2].

A aplicaç~o do ESRASE na inferência do plano de manobras de restabelecimento de SE possibilita a otimizaç~o do processo que atualmente é idealizado e executado pelo operador da SE. Além de ser capaz de verificar e seguir toda a filosofia de restabelecimento da concessionária, o programa soluciona conflitos, é capaz de verificar a lógica das operaçeles de chaveamento e principalmente de absorv~r e agregar o conhecimento heurístico dos operadores mais experientes.

Além de outros benefícios da sua utilizaç~o, pode-se destacar a padronizaç~o e uniformidade das açeles de restabelecimento, a diminuiç~o da influência de eventuais press~es psicológicas sobre o operador na tomada de deciseles e a viabilizaç~o da automaç~o das SE no processo de desassisti-Ias.

o objetivo da aplicaç~o de um restabelecimento de Subestaçeles é seja possível otimizar o processo de vista operacional e econômico.

Sistema Especialista (ES) no fornecer meios pelos quais

de restabelecimento do ponto

Decorren te da comp 1 ex idade do prob lema, que cong rega concomitantemente vários domínios, define-se como adequado o desenvol v imento de um sistema modu 1 ar, com arqui tetura aberta e flexível.

Um sistema que auxilie o restabelecimento de uma SE, pela inferência do plano de manobras [3], deve dispor de meios para:

• avaliar o agente da ocorrência; • delimitar a ár~a defeituosa isolada pela atuaç~o da

proteç~o;

• caracterizar se o defeito é permanente ou transitório; • identificar os componentes envolvidos e os afetados;

Além disso, o sistema deve gerar necessárias e suficientes para normalizar após desligamentos parcia~s ou totais

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uma lista de açeles operacionalmente a SE de seus componentes,

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reintegrando-a novamente, de Elétrico de Potêncla (SEP).

forma estabilizada, ao Sistema

Formulaç~o do Problema

Planificar uma estratégia de restabelecimento para uma SE requer uma vis~o constante e completa do estado operacional dos componentes e dos equipamentos que a comp~em.

Assim, o monitoramento abrange os atributos estáticos, compostos por dados e valores permanentes que caracterizam os componentes ou a SE, e os atributos dinâmicos, que descrevem as propriedades ou estados sujeitos a modificaç~es.

A soluç~o do problema do restabelecimento pode ser itemizada da seguinte forma:

Problema:

Entrada:

Conhecimento:

Saída:

Inferir um Plano de Manobras

Configuração da SE pré e pós falta Alarmes e relés de proteção atuados Medidas das grandezas elétricas

Restrições Operativas Filosofia e critérios de restabelecimento Modelos lógicOs e heuristicos

Plano Diretor de Manobras para restabelecer a SE

o objetivo a ser seguido é o de restabelecer o maior número possível de componentes da SE. A partir da análise dos dados de entrada, identifica-se as causas do problema, os componentes envolvidos e os afetados. A seguir, após uma avaliaç~o e análise criteriosa, baseada no conhecimento das condiç~es associadas a topologia da SE e as suas condiç~es operativas, identifica-se os componentes que devem participar do restabelecimento. Define-se ent~o quando e como, dentro da seqüência de restabelecimento, deve ser a reenergizaç~o do componente.

Desta forma, chega-se a melhor seqüência de chaveamento exata para pós-contingência ótima seja atingida.

Restabelecimento Inteligente

Base de Conhecimento

configuraç~o da que a cond i ç~o

SE e a operativa

o conhecimento reunido na Base de Conhecimento do ESRASE foi formalizado em duas etapas. O conhecimento da topologia, dos atributos estáticos e dos atributos dinâmicos iniciais da SE foram armazenados como fatos. Os esquemas de intertravamento e de manobra, os cr i tér ios e f i 1 osof ias de restabe I ecimen to, a

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lógica de simplificaç~o e armazenadas como regras.

a hierarquia de ordenaç~o s~o

A figura abaixo representa o diagrama unifilar de uma SE exemplo:

SE2 SID SE4 SE5

138kV ~ ~ ~ ~ ~. Bancos

AHmentadores

As características topológicas e operativas da SE s~o

armazenadas como fatos dentro da seguinte estrutura:

proteç~o ("2"," K", "21-1"," aff")

chave_manobra ("2", "K", "4"," an")

chave_seletora ("2", "K", "4-43SC", " an")

eqpto ("2", "K", linha_fonte( "SEI", "SE2", "Seguidor"), "an")

medida ("2"," K", 138.,250.,60., 0.9)

limite_medida ("2","K",128,144,O,300,58,61,-I,I)

onde: 2 = número do ci rcui to K = nível de tens~o 138 kV

21-1 = barra off = estado desoperado

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4 = on =

4-43SC = linha_fonte SE1 , SE2 = Seguidor =

138 =

disjuntor esta~o fechado I remoto I energizado chave seletora Local-Remoto = identificaç~o do componente terminais da LT caracteristica de energizaç~o do terminal tens~o medida

250 = corrente medida 60 =

0.9 = 128 , 145 =

O , 300 = 58 , 61 ::: -1 1 =

freqüência medida fator de potência medido limite inferior e superior de tens~o limite inferior e superior de corrente limite inferior e superior de freqüência limite inferior e superior do fator de potência

Os dados em itálico s~o dados dinâmicos iniciais, e contém o estado em que se encontram os equipamentos, componentes ou medidas. Os demais dados s~o atributos estáticos, que necessitam de nova inicializaç~o para serem alterados.

Por sua vez, as caracteristicas funcionais que descrevem a operaç~o e restabelecimento da SE foram estruturadas através de regras~ onde o conhecimento dos especialistas é armazenado. utilizou-se da lógica dos predicados, com estruturas do tipo:

SE (condiç~o) --) ENTAO (conclus~o/aç~o)

Como exemplo pode-se citar as seguintes regras:

SE atuou proteç~o diferencial (87) de um transformador ENTAO isolar o transformador

SE a tens~o medida em um circuito for nula ENTAO fechar o disjuntor do circuito SE o disjuntor (4) de um circuito abriu ENTAO fechar o disjuntor do circuito

SE um componente foi desenergizado ENTAO restabelecer o componente

Formalizando tais regras na linguagem Turbo Prolog teremos:

filosofia-proteç~o (N,CLASSE,"87",_) . aç~o_ra ( proteç~o,N,CLASSE,isolar("trafo")).

filosofia_medida (N,CLASSE,TENSAO,_) . TENSAO=O, aç~o_ra (medida,N,CLASSE,fechar("4")).

f i 1 050f ia_chave_manobra (N, CLASSE, "4" ,_J .­aç~o_ra (chave_manobra, N, CLASSE, fechar ( "4" ) .

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filosofia_eqpto (COMPONENTE) .-aç~o_ra (eqpto,N,CLASSE,restabelecer(COMPONENTE».

Face as características flexibilidade e adaptabilidade agrupadas em sete grandes grupos:

funcionais desejadas,

de as

modularidade, regras foram

• filosofia de restabelecimento associada à proteç~o atuada; • filosofia de restabelecimento associada às medidas

monitoradas; • f i 1 osof ia de res tabe 1 ecimen to associada às chaves de manobra

operadas; • filosofia de restabelecimento associados aos componentes

desenergizados; • critérios de reenergizaç~o de componentes afetados; • procedimentos operacionais de manobra; • procedimentos necessários a execuç~o de cada uma das aç~es de

restabelecimento; • critérios de simplificaç~o e hierarquia das aç~es do plano.

Motor de Inferência

No ESRASE, inicialmente, o motor de inferência procura identificar a anormalidade pela análise das grandezas de interesse (tens~o, corrente, freqüência e fator de potência), do estado dos componentes, dos equipamentos de manobra e das proteç~es. A seguir, s~o gerados cenários que reúnem as proteç~es, os disjuntores e os equipamentos envolvidos na ocorrência. Isso é feito através da comparaç~o da situaç~o pré­falta com a situaç~o pós-falta. Estes dados s~o armazenados em uma lista de fatos que comp~em o cenário da contingência.

A partir dos fatos, utilizando-se da base de conhecimentos, s~o inferidas recomendaç~es de aç~es de restabelecimento necessárias à recomposiç~o da SE, na seguinte forma padr~o:

aç~o_ra (N,CLASSE,TIPO,AÇAO)

onde AÇAO pode ser religar ou bloquear o religamento de um disjuntor, desligar um banco de capacitores, isolar um transformador, restabelecer um componente ou mesmo toda a SE.

O plano de manobras de restabelecimento é inicialmente estruturado a partir do tipo de equipamento afetado, do tipo de proteç~o que atuou, dos disjuntores operados e das variaç~es das medidas analógicas.

Todos estes grupos geram, de forma independente, recomendaç~es de aç~es de restabelecimento em funç~o da filosofia e critérios característicos próprios a eles associados. Desta forma, para cada v~o de Linha de Transmiss~o

ou AI imentador, para cada Barra e para cada Transfo r mador, s~o geradas listas de aç~es de restabelecimento. Tais aç~es s~o

recomendadas ou pe I as proteç~es a tuadas, ou pe I as med idas, ou pelas chaves de manobras ou pelos ~omponentes desenergizados.

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Estas ~ecomenoaç~es podem se~ iguais, dife~entes ou até mesmo conflitantes. S~o ge~adas de fo~ma liv~e e sem ~igo~

est~utu~al, como um p~ocesso -"b~ainsto~ming" de ge~aç~o de idéias. Em luga~ de se pensa~ simultaneamente pelo aspecto c~itico e pelo su~~ealista, mantªm-se o julgamento em suspenso e sol ta-se a imaginaç~o ge~ando idéias de aç~es de ~estabelecimento. Com isso p~ocu~a-se evita~ que o julgamento emba~ace a c~iaç~o. A esse conjunto de aç~es de ~estabelecimento é dado o nome de "Plano Inicial de Restabelecimento".

Na p~óxima etapa, o Plano Inicial é submetido a um t~atamento de otimizaç~o, o qual, compa~ando ent~e si as aç~es

~ecomendadas, elimina-se as desnecessá~ias bem como as ~edundantes, at~avés de c~ité~ios p~é-definidos, dando consistªncia lógica ao plano. A segui~, as aç~es s~o

hie~a~quizadas e o~denadas dent~o de di~et~izes estabelecidas. Esta~emos assim, ge~ando um plano inteligente de manob~as pa~a o ~estabelecimento da SE. A esse plano denomina-se "Plano Di~eto~ de Restabelecimento".

o fluxo de aç~o simplificado do p~og~ama se ~esume em:

INICIALIZAR GERAR CENARIO GERAR FATOS GERAR AÇAO RA

OTIMIZAR

ORDENAR IMPRIMIR

Exemplo Ilustrativo

le~ a~quivos p~é e pós falta identifica~ as oco~~ªncias ge~a~ lista de ci~cuitos afetados ge~a~ lista de aç~es de ~estabe­lecimento definindo o Plano Inicial de Restabelecimento aplica~ c~ité~ios de simplificaç~o e consistªncia aplica~ c~ité~ios de hie~a~quia às aç~es imp~imi~ o "Plano Di~eto~ de Resta­belecimento"

Este i tem ap~esen ta exemp 1 os da poten ci a 1 idade do p~og ~ama

ap~esentado neste a~tigo, baseados na SE ap~esentada na figu~a.

Po~ exemp lo, caso sej a ve~ i f i cado o f a to da abe~tu~a do d isj un to~ de uma 1 in ha de t~ansmiss~o, pe 1 a a tuaç~o de dois ~e 1 és de p~oteç~o especi f i cos. O p~og~ama busca~á na base de conhecimento, a filosofia das aç~es de . ~estabelecimento

associadas a ambos os ~elés, aos disjunto~es po~ eles ope~ados, aos componentes cujos estados fo~am alte~ados e as medidas fo~as

de faixa. Temos entao a ge~aç~o de uma lista de aç~es de ~estabelecimento que ~eto~na~~o a SE o mais p~óximo possivel da configu~aç~o p~é-falta. Neste caso te~iamos:

FATO: Disjunto~ 1K4 ab~iu pelas p~oteç~es 1K21-1 e lK50N. AÇAO RA: Restabelece~ LT SE1-SE2 (ci~cuito 1K)

Exemp 1 i f i cando de fo~ma mais deta 1 hada p~og~ama. No caso de atuaç~o da p~oteç~o do

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o fun cionamen to do t~ansfo~mado~ 1T87,

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tem-se como conseqüência a abertura do disjuntor da alta (4K4) e do disjuntor da baixa (12F4). Isso ocasionará a desenergizaç~o

dos transformadores Ti e T2, também indicada nas medidas analógicas de todos os componentes envolvidos. Neste caso, inicialmente o programa identifica a ocorrência mostrando:

OCORRENCIA NO CIRCUITO: lT

Proteç~es atuadas: lT87 Chaves abertas: 4K4 , 12F4 Equipamentos afetados: trafo ("SE1","138-13.8 kV","Tl")

trafo ("SE1","138-13.8 kV","T2") barra( "SEi", "F", "Principal A") barra ("SEi", "F", "Principal B") barra( "SEi", "F", "Principal SA") barra( "SEi", "F", "Transferência") alimentador( "RD01")

A seguir, lecimento:

a I imen tador ( "RD02" )

alimentador("RD08") banco_cap( "MóduloOl") banco_cap("Módulo02") ba'lco_cap( "Módulo03")

banco_cap("Módulo04")

gera as seguintes recomendaç~es de

- Aç~o recomendada pelo(a): eqpto Circuito lT Aç~o: restabelecer ("trafo")

- Aç~o recomendada pelo(a): proteç~o

Circuito 1 T Aç~o: isolar ("trafo")

Aç~o recomendada pelo(a): medida Circuito 12F Aç~o: fechar ("4")

- Aç~o recomendada pelo(a): eqpto Circuito 12F Aç~o: fechar ("4")

Aç~o recomendada pelo(a): medida Circuito 4K Aç~o: fechar ("4")

- Aç~o recomendada pelo(a): chave manobra

restabe-

Circuito 4K Aç~o: abrir todos disjuntor geral baixa

Aç~o recomendada pelo(a): eqpto Circuito 4K Aç~o: abrir ("elac")

Além de outras 26 recomendaç~es para cada um dos componentes que foram conseqüen temen te desenerg i z ados e cuj as recomendaç~es

seriam do tipo:

- Aç~o recomendada pelo(a): eqpto Circuito lF Aç~o: restabelecer ("alimentador")

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Aç~o recomendada pelo(a): medida Circuito lF Aç~o: fechar ("4")

A este conjunto de aç~es recomendadas, chamou-se de "Plano Inicial de Restabelecimento".

Após esta etapa, a I ista de aç~es recomendadas é simplificada, hierarquizada e ordenada, dentro de diretrizes estabelecidas, e as 33 aç~es recomendadas inicialmente, se reduzem às seguintes:

Aç~o recomendada pelo(a) proteç~o

Circuito 1 T Aç~o: isolar ("trafo")

Aç~o recomendada pelo(a): eqpto Circuito 2T Aç~o: restabelecer ("trafo")

- AÇ~o recomendada pelo(a): medida Circuito BF Aç~o: boot ("colapso de tens~o")

Estas recomendaç~es, que comp~em o "Plano Diretor de Restabelecimento" ~ orientam o operador a isolar o transformador Ti, restabelecer o transformador T2 e restabelecer todos os circuitos associados à barra de 13.8 kV (BF).

No caso de um colapso total da SE, as açêles recomendadas geradas ir,icialmente (45 aç~es) cedem lugar a uma única aç~o,

com grau hierárquico superior, de restabelecer toda a SE.

Conclus~es

o programa foi concebido e estruturado visando ser bastante abrangente no que diz respeito a sua aplicaç~o em diferentes topologias. Um protótipo foi desenvolvido, implementado e testado em um microcomputador IBM-PC, em linguagem TURBO PROLOG.

A aplicaç~o do ESRASE na inferência do plano de manobras de restabelecimento de SE possibilita a otimizaç~o do processo que atualmente é idealizado e executado pelo operador da SE. Além de ser capaz de verificar e seguir toda a filosofia de restabelecimento da empresa energética, o programa soluciona conflitos, é capaz de verificar a lógica das operaç~es de chaveamento e agregar a vivência e os conhecimentos heuristicos dos operadores mais experientes.

Além destacar:

de outros beneficios da sua utilizaç~o, pode-se

padronizaç~o e uniformidade das aç~es de restabelecimento; repetitividade diminuiç~o da influência de eventuais press~es psicológicas sobre o operador na tomada de decis~es; viabilizaç~o da automaç~o de SE e do processo de desas­sisti-Ia.

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Referências

1. RIBEIRO, G.M., COSTA, C. I .A. e Especialista para Análise de SubestaçÔes de Médio Porte". Latinoamericano da CIGRÉ, 23 a 27

LAMBERT - TORRES, G.. "S i s tema Sinal e In~ertravamento de

In: 50 Encontro Regional de maio, 1993.

2. RIBEIRO,G.M., LAMBERT-TORRF::S,G., COSTA,C. LA. e DO,X.D •• "Automatic Substation Configuration System - An approach using knowledge based system". In: IV INTERNATIONAL CONFERENCE ON EXPERT SYSTEM APPLICATION IN POWER SYSTEMS - ESAP, Melbourne -Austrália, 4 a 8 de janeiro, 1993.

3. RIBEIRO, G.M. ~ COSTA, C. I .A. e LAMBERT-TORRES, G •• "Restabelecimento Inteligente de Subestaçôes: Inferência do Plano de Manobras Utilizando Sistemas Especialistas". In: XII SEMINARIO NACIONAL DE PRODUÇAO E TRANSMISSAO DE ENERGIA ELÉTRICA - SNPTEE, Recife - PE, 3 a 7 de outubro, 1993.

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