Validação de um Sistema Especialista paraControle de Tensão Através de umSimulador de Sistemas de Potência

Jacqueline G. RolimJosé Eduardo GiacomelliLuiz Jairo Branco Machado

Departamento de Engenharia ElétricaUniversidade Federal de Santa Catarina

(Fax : 048231 9770 - e-mail : celesc@labspot.ufsc.br)

Abstract - SECTE is an expert system that has been developed to support the dispatcher in decisionsrelated to voltage control. The validation of the knowledge base had the help of a static power systemsimulator; which simulated several situations to test SECTE. An object oriented main program (inC++) a friendly graphical user interface and the exchange of information between the expertsystem (in PROLOG) and some conventional tools (in FORTRAN) .

Resumo - O SECTE é um sistema especialista desenvolvido com o objetivo de apoiar o despachante emdecisões relacionadas ao controle de tensão. A validação da base de conhecimento teve o auxílio deum simulador estático de sistemas de potência, através do quál foram simuladas diversas situaçõespara testes do SECTE. O programa principal orientado a objetos (em C++) possibilita uma interfacegráfica amigável com o usuário e a troca de informações entre o sistema especialista (em PROLOG) ealgumas ferramentas convencionais (em FORTRAN) .

I - INTRODUÇÃO

O planejamento da operação a curto prazo definepreviamente a programação da geração, configuraçãoda rede e intercâmbios entre empresas para cadaintervalo de tempo, baseado em contratos e naprevisão de carga para o período, considerando asdisponibilidades e limitações fisicas dosequipamentos. Devido a diferenças entre os valoresprevistos e os que realmente acontecem para a cargae condições hidrológicas, etc ., esta programação sofreajustes na operação em tempo real a fim de manter osistema atendendo às restrições operacionais.Como o despachante tem muitas tarefas tais como:controle de tensão, controle de carga e freqüência,controle de serviços (manutenção), aquisição dedados , reconfiguração do sistema, etc.; ele algumasvezes (especialmente durante emergências) toma umadecisão errada que piora a condição do sistema.Quando este fato é posteriormente analisado,normalmente é chamado "falha humana" .Várias ferramentas têm sido desenvolvidas paraajudar os despachantes tanto liberando-os de algumastarefas rotineiras como apoiando-os em situações deemergência.Em relação ao subproblema do controle de tensão. osdespachantes/operadores fazem os ajustes necessáriosbaseados na sua experiência e em vários estudose instruções que eles recebem. Estas instruçõescontém muitas informações, como por exemplo:

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• a definição de limites de tensão nas barras de cargapara cada período de carga;

• procedimentos a serem seguidos em caso deviolações de tensão durante operação normal;• procedimentos a serem seguidos em caso deviolações causadas por perda de equipamentos,• etc.Mesmo para pessoal experiente é muito dificil tertodas estas informações na memória ou consultá-lasdurante contingências. Além do mais , estesprocedimentos são algumas vezes bastantecomplexos, levando em consideração muitasrestrições tais como intercâmbios atuais.configuração da rede, etc. e sofrem alteraçõesvez que novos equipamentos são instalados na rede .Apesar de alguns centros de operação terem um fluxode potência ótimo (FPO) disponivel, estes programasnormalmente são executados apenas em modo estudoe raramente empregados durante operação em temporeal por várias razões , dentre as quais a necessidadede usuários com habilidade para interpretar osresultados e tomar decisões durante o processamento,P9r exemplo relacionadas a função objetivo erelaxação de restrições e este .não é o caso dosdespachantes.Considerando que no controle corretivo em temporeal a maior preocupação é resolver as violações omais rápido possível a fim de evitar atrasos quepoderiam danificar equipamentos ou levar a

(1)

fi - O SISTEMA ESPECIALISTA - SECTE

e seus valores são carregados em ordem decrescentede suas sensibilidades para cada barra de carga noseguinte formato do PRüLOG:

problemas de instabilidade, o sistema especialistaapresentado neste trabalho (SECTE) para apoio aooperador na tarefa do controle de tensão, procuralimitar o número de controles a serem modificados.Para não afastar o sistema de seu ponto de operaçãoótimo (de acordo com algum objetivo da operação) , osistema especialista pode ser combinado a um FPO, oqual seria executado periodicamente [I].O SECTE é descrito na seção 11. As dificuldadesencontradas na validação do sistema especialista sãodiscutidas na seção Ill; o simulador de sistemas depotência como uma ferramenta de avaliação éapresentado na seção IV e na seção V é mostrado umexemplo do uso do sistema especialista com osimulador. As conclusões são apresentadas na seçãoVI.

A idéia de desenvolver o SECTE veio da necessidadede se ter uma ferramenta confiável para apoiar odespachante na tarefa de controlar o perfil de tensões ,que fosse capaz de lidar com muitas restrições eprocedimentos especiais. Este sistema deveria atuarde forma semelhante aos despachantes experientes eser capaz de explicar a sua solução, a fim de ser bemaceito pelos usuários e poder inclusive ser empregadopara treinamento.Assim como vários outros sistemas especialistasaplicados a sistemas de potência [2], a linguagemescolhida para desenvolver este sistema foi oPROLOG, o conhecimento é representado através deregras de produção e o mecanismo de inferência é dotipo encadeamento para trás .O SECTE tem como opções de controle a alteraçãode tensões de geração, posições de tap detransformadores com comutadores sob carga ecompensadores síncronos.Estes controles são escolhidos de acordo com suassensibilidades em relação a barra com problema,sendo que os controles mais eficazes são escolhidosprimeiramente.As sensibilidades [3] são obtidas a partir da matrizJacobiana de um fluxo de potência Newton-Raphson:

transmissão, transformadores ou elementos shuntexistem algumas regras específicas na base deconhecimento, semelhantes às regras normalmenteencontradas nos manuais e instruções de operaçãofornecidas aos operadores e definidas pelo GrupoCoordenador da Operação Interligada - GCOI.Na busca por controles para corrigir violações, osistema inicialmente verifica , considerando o horáriono momento , se algum elemento shunt deveria serchaveado. No segundo passo a busca por controles ébaseada por sensibilidades (tensões de geração e tapde transformadores) e como último recurso emsituações especiais vem o chaveamento de linhas detransmissão ou transformadores.As regras principais na base de conhecimento sãopara :• classificar o periodo de carga atual ,• definir os limites de tensão para este período,• verificar a existência de violações no perfil detensões ,

• apresentar a lista de violações ao usuário,perguntando se ele prefere corrigir a violação deuma barra em particular ou deixará o sistema tratarinicialmente da maior violação (obs.: se não sãoencontradas violações o sistema falha e pára nesteponto) ;• perguntar ao usuário o número máximo decontroles que podem se modificados nestachamada,

• corrigir a barra selecionada pelo usuário do sistemaou pelo próprio sistema (barras mais próximas àgeração são consideradas mais importantes);

• estimar o efeito desta correção sobre o perfil detensões como um todo;

• o processo tem sucesso e também pára quando alista de barras com violações se toma vazia ou onúmero 'máximo de controles já foi alterado, seestes casos não ocorrerem o sistema retrocedeC"backtracking") para escolher um novo controle.

As regras especiais para ações de chaveamento sãoincluídas nas regras de seleção de controles. Umprograma desenvolvido utilizando técnicas dediacóptica [4] dá uma estimativa dos efeitos desteschaveamentos.Para seleção de taps ou tensões de geração a seremalteradas, a escolha , correção e estimativa dosresultados são todas feitas com base nos valores desensibilidades.Geralmente, quando manobras em linhas outransformadores para controle de tensão se tomamfreqüentes, a empresa de energia toma algumaprovidência para melhorar as condições do sistema,

sensíbilidadeicontrole x.barray , valor) . por exemplo instalando reatores shunt. IstoApesar deste modelo linearizado, as posições de tap implicaria na necessidade de atualização da base dediscretas são consideradas. Outra caracteristica deste conhecimento mas devido principalmente asistema é que transformadores em paralelo ou modularidade dos sistemas especialistas, estaunidades geradoras na mesma usina são controladas manutenção, adicionando, eliminando ou alterandoem conjunto, como é o procedimento rotineiro na regras pode ser efetuada sem maiores dificuldadesoperação. Para lidar com chaveamentos de linhas de [5].

354

m.AVALIAÇÃO DE SISTEMASESPECIALISTAS

Como sistemas especialistas lidam com raciocíniosimbólico, o seu ciclo de desenvolvimento e testesdifere dos programas numéricos tradicionais. Umerro em uma base de conhecimento pode ser maisdificil de detectar e encontrar. Entretanto, aplicaçõesdeste tipo de software também requerem alto nível deconfiabilidade e a base de conhecimento precisa sercompleta , consistente e bem organizada de forma afacilitar manutenções futuras . Alguns trabalhosforam apresentados neste sentido, por exemplo dandouma lista de tópicos a serem verificados na avaliaçãode um sistema especialista [6], apresentando métodospara detectar erros em bases de conhecimento [7], [8]ou discutindo o problema da manutenção [5].Uma definição formal dos termos verificação evalidação pode ser encontrada em [9].A base de conhecimento do SECTE foi desenvolvidaincrementalmente, e após a adição de uma regra ,testes eram executados de forma a evitar duplicação,contradição, circulação e outros problemas quepodem ocorrer em bases de conhecimento [7]. Estestestes consistiam em provocar a falha e o sucesso danova regra de todas as formas possíveis e observar ocomportamento do sistema através da ferramenta dedepuração.O estágio final de verificação de um sistemaespecialista tem algumas vezes a ajuda . does)mesmo(s) especialista(s) que forneceram oconhecimento para formar o sistema . Esta égeralmente uma opção cara. Outra opção é utilizaruma série de situações históricas ou criadas peloespecialista para testar o sistema e então dar osresultados para análise do mesmo.De qualquer forma, um outro problema , comum naaplicação de sistemas especialistas a sistemas depotência não é resolvido : como usuários podem tercerteza que o sistema se comportará bem em todas assituações? A falta de confiança na eficiência desistemas especialistas é uma das razões pelas quaiseles são utilizados part icularmente para apoiarpessoas e não para substitui-las completamente.Primeiramente não é possível na maioria dasaplicações se examinar a solução do sistemaespecialista em todos os cenários possíveis e emsegundo lugar seria uma tarefa extremamente longa ecansativa se simplesmente conectássemos o sistemaao sistema real e esperássemos que todas as situaçõesocorressem, já que não é concebível arriscar a redereal somente para criar condições para analisar umsistema especia lista ou qualquer outra ferramenta .A alternativa empregada aqui para testar o SECTEfoi o uso de um simulador estático de sistemas depotência para criar os cenários . Este simuladorsimplificava também a implementação das soluçõesfornecidas pelo SECTE para verificar a suaeficiência . Um exemplo deste procedimento éapresentado na seção V.

IV . O SIMULADOR DE SISTEMAS DEPOTÊNCIA

Um simulador estático de sistemas de potência ,desenvolvido em um esforço conjunto entre aUniversidade Federal de Santa Catarina e as CentraisElétricas de Santa Catarina (CELESC) , tem sidoempregado como ferramenta principal para aavaliação do SECTE. Este simulador foi projetadopara ser uma plataforma para estudos e treinamentode operadores e despachantes, logo é um ambientealtamente interativo, conduzido inteiramente por urnainterface homem-máquina amigável e intuitiva, aqual se aproxima tanto quanto possível da realidaderotineira de operadores e despachantes, baseando-seem uma base de dados do sistema real.Optou-se por uma interface orientada ao objeto pelasvantagens da modularidade, estrutura de classes,passagem de mensagens, etc .,[IO] e a mesma foidesenvolvida empregando-se uma ferramentadenominada COI [11]. O COI é uma biblioteca declasses que usa funções da biblioteca XII , em outraspalavras, é um shell para a XII , simplificando atarefa da programação orientada ao objeto . O ganhoem produtividade inerente ao desenvolvimentoorientado ao objeto é reforçado pela habilidade doCOI de encapsular parâmetros que são passados pararotinas da XII , conseqüentemente liberando ousuário de especificá-los .A hierarquia de classes e objetos é apresentada naFigura I . O programa principal do simulador,desenvolvido em C++, é basicamente um programapara controlar os eventos da interface e executar asfunções numéricas periodicamente.

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Fig. I - Hierarquia das Classes/Objetos

Os elementos são visualizados em três níveis : global;região; subestação.O nível global é apresentado na Fig. 2 mostrando omapa do estado de Santa Catarina e suas regiões. Seo usuário pressionar o botão do mouse sobre umaregião esta é aberta , mostrando seu diagrama unifilare seus fluxos de potência ativa/reativa. Pressionando

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v - PROCESSO DE VALIDAÇÃO DO SECTE\

Inicialmente o usuário parte da tela inicial mostradana Fig. 2 para a tela de uma região específica, nestecaso, a região do Vale do Itajal, a qual pode servisualizada na . Fig. 3. Alguns botões podem serobservados nesta figura:• Arquivo - executa várias funções, tais como salvaro caso atual, ' carregar um caso específico,impressão dearquivos de resultados, etc.;

• Imprimir - Imprime a janela;

sobre uma subestação é possível visualizar seudíagrama unifilar e usando o mouse o usuário podeabrir/fechar dísjuntores e chaves seccionadoras,alterar posições de tap (ou tensão de referência) detransformadores com comutação sob carga, injeçõesde ativo e reativo (ou .tensão de referência) ecarregamento ativo/reativo nas barras.A interface entre o simulador (C++) e o sistemaespecialista (pROLOG) utiliza funções incluídas nabiblioteca do SWI-PROLOG (University ofAmsterdam), projetadas especificamente com estafinalidade. Estas funções fornecem flexibilidade àinterface, onde predícados do PROLOG, após teremsido carregados na pilha da memória, são executadaspelas funções em C também fornecidas por estabiblioteca.

• Essencial - destaca os ramos essenciais da rede:• Tensões - função gráfica que mostra o perfil detensões atual em um gráfico com cores diferentespara indicar se a tensão em cada barra está na faixaconsiderada normal, em alerta ou já com violaçõesem um dos limites:

• Carregamento - mostra o mesmo tipo de gráficocom o carregamento das linhas de transmissão etransformadores;

• SECTE - chama o sistema especialista;. • Ativa Fluxos - 'mostra no diagrama de regiões osfluxos ativo/reativo nas linhas;

• Fechar - fecha a janela.No caso que vem sendo mostrado há violações nosistema as quais são observadas quando o usuárioclica o mouse no botão Voltage, abrindo uma outrajanela, a qual mostra o perfil de tensões (ver Fig. 4).O , usuário chama o SECTE para corrigir estasviolações e após uma troca inicial de informaçõescom o usuário (SECTE pergunta se o usuário quercorrigir uma barra específica ou a barra com maiorviolação, e o máximo número de controles que elepermite que seja alterado nesta chamada) uma listade alterações nos controles é sugerida pelo sistemaespecialista, a qual pode ser observada na Fig. 5.Assim que o usuário aceita a primeira sugestão,apertando com o mouse o botão ao lado da mesma , ajanela do diagrama da subestação de Blumenau (ondeos taps de transformadores devem ser alterados) éaberta e o operador pode executar a ação , comomostrado na Fig. 6. Após implementar os 5 controles,neste caso, o operador deveria checar novamente operfil de tensões. Como, neste caso, algumaspequenas violações ainda permaneceriam o SECTEpoderia ser chamado novamente para alcançar umestado sem violação alguma.Em uma sessão de trabalho várias janelas (porexemplo as da Fig. 3 a Fig. 6) podem ser visualizadassimultaneamente, mostrando diferentes regiões/subestações ou o perfil de carregamento/tensões, deforma que o usuário pode observar o impacto de umaação de controle em uma subestação região ou emtodo o sistema, logo após o mesmo sef implementado.facilitando a análise da eficiência dos controlesaplicados. Sem o simulador este processo envolveriaa necessidade de alterar arquivos de dados váriasvezes, executar o fluxo de potência, chamar o SECTEe executar novamente o fluxo . de potência paraimplementar controles e a análise de resultados noperfil de tensões não teria auxílio da ferramentagráfica.Cada vez que o SECTE é executado alguns dadossobre o caso e as regras que tiveram sucesso sãoguardadas para análise futura, contribuindo para oprocesso de validação. Esta informação também podeser útil para reproduzir no futuro a mesma situação epara compor a explicação sobre a soluçãoapresentada.

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Fig. 2 - Tela Principal do Simulador

O programa principal do simulador executa a cada 5segundos as funções de configuração das subestaçõese da rede; modelagem dos resultados da configuraçãomais informações sobre carga e geração para comporos dados necessários à execução do fluxo de potência;fluxo de potência e análise dos ramos essenciais.Cada uma destas funções é chamada por um métododa classe sistema (veja Fig. 1), a qual prepara osdados, executa as rotinas e então envia mensagensaos objetos que foram alterados.Outras funções são chamadas pelo usuário quandodesejado ao invés de automaticamente. É este o casodo SECTE, o qual também é um método da classesistema, inicializado a partir da janela de uma regiãoou de uma subestação.

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Fig. 4 - Perfil de Tensões para a Região do Vale do ltaja í

Fig. 5 - Sugestões para Correção das Violações

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VI - CONCLUSÕES

de um sistema especialista para controle de tensão(SECTE) . Como acontece normalmente para sistemasespecialistas , o SECTE foi projetado para um sistemaespecífico, apesar de parte da sua base deconhecimento ser geral. Este sistema teste é parte dosistema sul-sudeste brasile iro e é o mesmoimplementado no simulador.Deve-se destacar que mesmo com o uso deste

simulador não é possível cobrir todos os casos quepoderiam ocorrer no sistema real, mas o uso destaferramenta tomou possível a geração de inúmeros

Este artigo mostra o uso de um simulador de cenários, aperfeiçoando a validação do sistemasistemas de potência como ferramen ta para avaliação especialista descrito. Além de todos os casos que são

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obtidos diretamente das curvas de cargaimplementadas no simulador, a interface homem-

máquina amigável, toma bastante simples e rápida aprodução de novas situações, sendo que para tanto o

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Fig 6 - Tela da Subestação de Blumenau com Janela para Alteração de Posição de Tap de Transformador

usuário pode simplesmente alterar controles ousimular a saída de equipamentos.O simulador foi aqui empregado para avaliar umsistema especialista específico, mas poderia serempregado na avaliação de outros sistemasespecialistas aplicados a sistemas de potência.

Vil

Os autores agradecem o apoio financeiro do CNPq.

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