Introdução à Estimação de Estados

Profa. Elizete M. Lourenço

Universidade Federal do Paraná

Departamento de Engenharia Elétrica

Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Introdução à Operação em Tempo-Real

Sistemas de controle e tele-comando (controle centralizado)

- CAG

- Controle Supervisórios

Controles Locais

- Regulação de tensão e velocidade

- Chaveamento

- Proteção

Introdução à Operação em Tempo-Real

CAG

- Controla geração para manter frequência constante (nominal)

- Com interligação dos sistemas: controle de fluxos nas interligações

- Otimizar custo de geração: controle para D.E. (laço + externo)

Controle Supervisório:

- Evolui de regional/distrital para abranger todo sistema

- Função:

• Controle remoto de abrtura/fechamento de disjuntores e dispositivos

para regulação de tensão: taps, capacitores, etc

Introdução à Operação em Tempo-Real

Relevância questões de segurança (final década 60)

- Motivação: “black-outs” costa leste americana

- Mudanças na filosofia da operação

• Controle remoto de abrtura/fechamento de disjuntores e dispositivos

para regulação de tensão: taps, capacitores, etc

Operação de SP com consideração de segurança

- Dificuldades de operação de SP mais cada vez mais interligados

- Importantes desenvolvimentos tecnologicos em computação e telecom

Surgem funções ligadas à monitoração e análise de segurança

Estados de Operação

Restrições de Carga Atender a demanda

g(x,u) = 0 (equações de fluxo de carga)

P, Q PQ e P PV

Restrições de Operação Limites dos equipamentos

h(x,u) 0

- LTs e trafos: limites de fluxos de potência aparente

- Geradores: injeção de potência reativa

- Magnitude das tensões nodais

Limites de operação: - Podem ser violados por algum tempo

- Mais abertos em situações de emergência

Estados de Operação do Sistema

Seguro ou Normal

Restrições de carga e operação OBEDECIDAS

- Sistema intacto

- Suprimento total da demanda

- Sem violação limites operação

Emergência

Demanda atendida

Restrições de operação VIOLADAS

- Motivo: grande variação da carga, curto-circuito, perda de geração, etc

Estados de Operação do Sistema

Restaurativo

Emergência eliminada pelo desligamento de partes do sistema (centro de

controle ou dispositivos locais)

Restrições de operação OBEDECIDAS

Restrição de carga NÃO OBEDECIDAS

- Sistema não está intacto (carga não atendida, ilhamento, etc)

Lista de contingências classificação: seguro ou inseguro

Segurança do sistema: capacidade do SP sofrer

perturbações sem passar para estado de emergência

Operação em Tempo Real

Restrições de Segurança Conjunto de contingêncas

Restrições de carga e operação para cada contingência

s(x,u) 0

• Perturbações mais prováveis: saída/manutenção de LTs ou trafos,

geradores, capacitores/reatores shunt

• Inclusão todas as contingências possíveis Inviável

- Contingências simples

- Número limitado de contingências múltiplas

Estados de Operação do Sistema

Seguro ou Normal-Seguro

Restrições de carga, operação e segurança OBEDECIDAS

- Sistema intacto

- Suprimento total da demanda

- Sem violação limites operação

- Ocorrência contingências Continua Estado Normal

Alerta ou Normal-Alerta

Restrições de carga e operação OBEDECIDAS

- Sistema intacto

- Suprimento total da demanda

- Sem violação limites operação

- Ocorrência contingências Leva Estado Emergência

Etapas da Análise de Segurança

Monitoração de Segurança

Dados obtidos a intervalos regulares de tempo

Verifica violação nas restrições

Identifica estado operativo atual

Determina topologia atual do sistema

Análise de Contingências

Determina segurança do sistema frente lista contingências - Simulações

Usa modelo em tempo-real determinado na etapa anterior

- Análise estática realizada frequentemente

- Análise dinâmica dificuldades práticas inviável

Etapas da Análise de Segurança

Controle Preventivo

No caso de Estado Emergência ou Alerta Levá-lo Estado Seguro

Problema de Otimização: Melhor condição de operação que satisfaz as

restrições de carga, g(.), operação, h(.), e segurança, s(.)

Busca melhor ação corretiva para sugerir ao operador

Funções da Operação em Tempo-Real

Monitoração de Segurança Aquisição de dados

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

Telemdidas (medidas analógicas): magnitude tensão, fluxos, injeções, etc

Medidas digitais: status de chaves e disjuntores das SEs

Aplicativos da Monitoração em Tempo-Real:

1. Configurador de Rede

Processa medidas digitais (SCADA) Topologia atual da rede (diag. unifilar)

Rede interna (tempo real) e Rede externa (eventualmente)

2. Pré-Filtragem

Testes de compatibilidade sobre dados analógicos Erros mais flagrantes

Funções da Operação em Tempo-Real

3. Estimação de Estados

Dados de Entrada

• Topologia da rede (configurador)

• Conjunto de medidas analógicas pré-filtradas Número suficiente

Sistema observável (pseudomedidas, subsistemas)

• Parâmetros da rede (banco estático)

Objetivo: Processar dados redundantes contaminados por ruído

• Melhor estimativa tensões complexas nas barras do sistema

• Pode fornecer estado de barra não supervisionada Informação barras

adjacentes

Aplicativos

• Análise de observabilidade: avalia plano de medição

• Processamento de Erros: Detecção e Identificação de medidas espúrias

• Estimação dos estados

Funções da Monitoração Tempo-Real

4. Monitoração de Segurança

A partir da operação corrente (EE) Restrições carga e operação

Identifica Estado de operação: Normal, Emergência ou Restaurativo

Estado de emergência Controle de Emergência aliviar sobrecarga

elementos

• manobras na rede,

• entrada de geradores,

• alívio de carga

Estado Restaurativo Controle Restaurativo Recompor sistema

Consumidores atendidos

Estado Normal Realizar análise de segurança

Funções da Monitoração em Tempo-Real

Análise de Segurança

Segurança estado de operação Conjunto de contingências

Sistema interligado Reação sistema externo Modelagem aproximada do

sistema externo

Aplicativos da análise de segurança

• Seleção de contingências + prováveis para condição de operação EE

• Modelagem do sistema externo: equivalente ou modelo explícito

• Análise de contingências: efeito de cada contingência com métodos aproximados

(análise sensibilidade, fluxo de carga desacoplado rápido)

Controle Preventivo

Acionado se: Análise de contingência Sistema inseguro

Programas de otimização Ações preventivas Melhor condição de

operação que atenda 3 restrições

Estimação de Estados em SP - EESP

Função: fornecer base de dados confiável em tempo-real a partir de

telemedidas redundantes e corrompidas por erros

Processa medidas Estimar tensões complexas em todas as barras (estado do

sistema em regime permanente)

• Fluxos e injeções de potência, etc Necessários para Análise de segurança

Processamento de Pseudomedidas: informações conhecidas (não medidas)

Aplicações Principais da EESP

Monitoração da Segurança: observar condição corrente da operação: N, E ou R

Análise da Segurança: avaliar efeito de eventuais contingências

Previsão de carga: estimar demanda futura das barras do sistema

Monitoração da Segurança: Breve histórico

Supervisão com base na medição de variáveis básicas associadas à

instalações chaves: Imcompleto

Uso direto dados SCADA

Apenas medidas brutas

Impossibilidade de determinar/monitorar quantidades não medidas

Fluxo de Potência On-Line

Uso apenas de medidas de tensão e injeção de potência

Perda de uma medida impossibilidade de solução

Medida incorreta impacto direto nos resultados

Estimação de Estados

Estimador de Estados

Processamento de diversos tipos de medidas

Redundância permite estimação mesmo com perda de medidas

Extensão permite o processamento de erros grosseiros em medidas

Determina quantidades não medidas

Estimação de Estados: Subproblemas

Observablidade: verifica se o número e localização das medidas permite a

determiação dos estados do sistema

Estimação de Estados: cálculo de estimativas para os estados a partir da

topologia da rede, dados do sistema e conjunto de telemedidas

Detecção de Erros Grosseiros: verificação da existência de erros

estruturais e/ou medidas espúrias

Identificação de Erros Grosseiros: determinação de quais são as medidas

portadoras de erros

Recuperação de medidas portadoras de erros: tratamento das medidas

espúrias de forma que possas ser usadas no processo de estimação

Classificação dos Estimadores de Estados

Classificação é feita de acordo com:

• Modelagem do problema de EESP

• Maneira como os dados são processados

• Algoritmo utilizado para resolver o problema de EESP

Modelagem do problema de EESP

Minimização da soma ponderada dos quadrados dos resíduos: MQP

Minimização da soma dos valores absolutos dos resíduos: MVAP

Maneira como os dados são processados

Tipo “batch”: medidas processadas simultaneamente

Sequenciais: medidas processadas uma por vez

Algoritmos utilizados

Problema de MQP (processo iterativo)

• Solução via Equação Normal

• Métodos Ortogonais (reflexões de Householder, rotações de Givens, etc)

• Métodos Híbridos

• Método de Hactel (método da Matriz Aumentada ou Tableau Esparso)

• Estimadores Desacoplados

Estimadores Sequenciais

Solução de um problema de MQP recursivos, baseados, p.e. Filtro de

Kalman ou métodos ortogonais baseados nas rotações de Givens

Minimização da soma dos valores absolutos dos resíduos: MVAP