viii seminário de pós-graduação em engenharia elétrica · organização do viii seminário de...

VIII Seminário de Pós-graduação em

Engenharia Elétrica

Realizado em 03 de outubro de 2018 na Faculdade de Engenharia (FEB)

UNESP – Campus de Bauru

Avenida Engenheiro Luiz Edmundo Carrijo Coube – 14-01

CEP: 17033-360 – Vargem Limpa – Bauru/SP

E-mail: [email protected]

Bauru – São Paulo

http://www4.feb.unesp.br/posgrad_elet/index.php

mailto:[email protected]

http://www4.feb.unesp.br/posgrad_elet/index.php

Anais do VIII Seminário de Pós-Graduação em

Engenharia Elétrica

03 de outubro de 2018

Bauru – São Paulo

VIII Seminário de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (1. :2018: Bauru, SP)

Anais [recurso eletrônico] do VIII Seminário de Pós-

Graduação em Engenharia Elétrica realizado em Bauru, no

ano de 2018: organizado por Paulo Roberto Aguiar,

Fabrício Guimarães Baptista, André Luiz Andreoli e José

Alfredo Covolan Ulson. – Bauru: UNESP/FEB, 2018

195 p.: il.

Disponível em:

http://www2.feb.unesp.br/pos/seminarioEletrica/

index.php

ISSN: 2594-9357

1. Mecatrônica. 2. Sistemas de Energia. I. Aguiar, Paulo

Roberto. II. Baptista, Fabrício Guimarães. III. Andreoli,

André Luiz. IV. Ulson, José Alfredo Covolan. V. Título.

Mensagem da Comissão Organizadora do Seminário

O “VIII Seminário da Pós-Graduação em Engenharia Elétrica” é um evento promovido pelo Programa de Pós-

graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da UNESP – Campus de Bauru. Tem por objetivo integrar os alunos

e apresentar os trabalhos de pesquisa, dissertação e tese desenvolvidos pelos alunos e docentes do programa,

possibilitando um fórum de discussão e avaliação das pesquisas.

Em sua oitava edição, o Seminário foi realizado no dia 03 de outubro de 2018, na Faculdade de Engenharia (FEB)

da Universidade Estadual Paulista – UNESP, campus de Bauru. Na abertura do evento, o Seminário contou com

a palestra proferida pelo Professor Doutor Paulo Roberto Noronha Lisboa Filho do Departamento Física da

Faculdade de Ciências de Bauru – FC, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP.

Também, durante o evento, os participantes tiveram a oportunidade de participar de minicursos. O primeiro

minicurso foi ministrado pelo Professor Doutor Rogério Andrade Flauzino, da Escola de Engenharia de São Carlos

– EESC, Universidade de São Paulo – USP, intitulado “Deep Learning”. O segundo minicurso ofertado foi

ministrado pelo Professor Doutor Danilo Hernani Spatti, do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação

– ICMC, Universidade de São Paulo – USP, intitulado “Desenvolvimento Tecnológico, Inovação e Saúde: Novas

Perspectivas para Sistemas Inteligentes”.

A participação dos alunos nas apresentações teve como foco mostrar os resultados e avanços nos seus trabalhos

de mestrado e doutorado. No entanto, os alunos que ingressaram no primeiro semestre de 2018 apresentaram

apenas o resumo de seus Projetos de Pesquisa por meio de pôsteres, e os alunos que ingressaram antes de 2018

fizeram apresentações orais do desenvolvimento de seus trabalhos. Tanto a apresentação de pôsteres quanto a

apresentação oral foram obrigatórias apenas para alunos bolsistas do programa.

Os alunos que fizeram apresentações orais encaminharam o resumo expandido de seus trabalhos. Os demais alunos

(ingressantes no primeiro semestre de 2018) encaminharam o resumo e o pôster. Também ficou aberta a

possibilidade dos alunos recém-ingressantes (segundo semestre de 2018) submeterem resumo, mas foi opcional.

Todos os resumos e pôsteres foram revisados por pesquisadores da FEB, os quais emitiram parecer para correção

e aprimoramento dos mesmos. Durante as apresentações orais e por pôsteres, houve a avaliação por docentes do

Programa. Certificados foram emitidos para as melhores apresentações.

A participação dos docentes do Programa também foi de extrema importância, pois mostra o grau de interesse e

compromisso pelo Programa e Seminário, bem como proporciona incentivo aos seus alunos a participarem das

palestras e das apresentações de seus colegas.

A Comissão Organizadora do Seminário agradece o apoio fornecido pela FEB – UNESP-Bauru, bem como a Pró-

Reitoria de Pós-Graduação – PROPG - da UNESP pelo apoio financeiro concedido por meio de edital para esse

fim. A Comissão também agradece a Seção de Pós-Graduação da FEB, pelo apoio imprescindível para a realização

deste importante evento. Por fim, a Comissão não poderia de esquecer de agradecer os docentes e discentes do

Programa, pela participação e compartilhamento das suas contribuições científicas para o desenvolvimento da

ciência e tecnologia do nosso país, bem como para o fortalecimento do PPGEE.

A Comissão Organizadora

Organização do VIII Seminário de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia

(FEB), Universidade Estadual Paulista – UNESP, Campus de Bauru

Comissão Organizadora – Corpo Editorial

Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar

Coordenador do Programa

Prof. Dr. Fabricio Guimarães Baptista

Vice-Coordenador do Programa

Prof. Dr. André Luiz Andreoli

Membro do Conselho

Prof. Dr. José Alfredo Covolan Ulson

Membro do Conselho

Equipe de Apoio

Alessandra Karine dos Santos Contador

Supervisora da Seção Técnica de Pós-graduação

Célia Cristina do Espirito Santo Graminha

Assistente Administrativo

Gustavo de Oliveira Rodrigues


Larissa Marques


Bruno Albuquerque de Castro

Aluno de Doutorado

Christielly Fernandes da Costa

Aluna de Mestrado

Danilo Ecidir Budoya

Aluno de Doutorado

Felipe Aparecido Alexandre

Aluno de Doutorado

Marco Aurélio Rocha

Aluno de Doutorado

Martin Antônio Aulestia Vieira

Aluno de Mestrado

Wallace Gabriel de Souza

Aluno de Doutorado

Wenderson Nascimento Lopes

Aluno de Doutorado

Corpo de Revisores

Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves

UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica

Prof. Dr. André Cristovão Pio Martins




Prof. MSc. Antônio Damazo

IFSP – Campus Birigui

Prof. Dr. Atila Madureira Bueno

UNESP – Instituto de Ciência e Tecnologia – Engenharia de Controle e Automação

Prof. Dr. Bento Rodrigues de Pontes Junior

UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Mecânica

Profa. Dra. Edilaine Martins Soler

UNESP – Faculdade de Ciências – Departamento de Matemática

Profa. Dra. Edméa Cássia Baptista

UNESP – Faculdade de Ciências – Departamento de Matemática

Prof. Dr. Eduardo Carlos Bianchi

UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Mecânica

Prof. Dr. Eduardo Paciencia Godoy




Prof. Dr. Fernando de Souza Campos


Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão


Prof. Dr. Flavio Alessandro Serrão Gonçalves


Prof. Dr. Helmo Kelis Morales Paredes




Prof. Dr. José Ângelo Cagnon


Prof. Dr. José Eduardo Cogo Castanho


Prof. Dr. José Renato Castro Pompéia Fraga


Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno


Prof. Dr. Luiz Gonçalves Junior


Prof. Dr. Marcelo Nicoletti Franchin


Prof. Dr. Mário Eduardo Bordon


Prof. Dr. Paulo José Amaral Serni




Prof. Dr. Paulo Sergio da Silva


Prof. Dr. Pedro da Costa Junior


Prof. Dr. Rosemar Batista da Silva

UFU – Faculdade de Engenharia Mecânica

Prof. Dr. Rudolf Ribeiro Riehl


PROGRAMAÇÃO

CREDENCIAMENTO – 8h00

ABERTURA – 8h15

PALESTRA – 8h30 às 9h30

Prof. Dr. Paulo Noronha Lisboa Filho

Departamento de Física

Faculdade de Ciência de Bauru

Universidade Estadual Paulista (UNESP)

COFFEE BREAK E APRESENTAÇÃO DE PÔSTER – 9h30 às 10h

APRESENTAÇÃO ORAL (discentes) – 10h às 12h

ALMOÇO – 12h às 13h30h

MINICURSO I – 13h30 às 15h30

“Deep Learning”

Prof. Dr. Rogério Andrade Flauzino

Escola de Engenharia de São Carlos (EESC)

Universidade de São Paulo (USP)

COFFEE BREAK – 15h30 às 16h

MINICURSO II – 16h às 18h

“Desenvolvimento Tecnológico, Inovação e Saúde:

Novas Perspectivas para Sistemas Inteligentes”

Prof. Dr. Danilo Hernani Spatti

Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC)

Universidade de São Paulo (USP)

Anais do VIII Seminário de Pós-Graduação

em Engenharia Elétrica

MECATRÔNICA ..................................................................................................................... 1

INVERSÃO DINÂMICA DE SISTEMAS PARA DETECÇÃO DE FALHAS EM

CIRCUITOS LINEARES RLC SÉRIE .............................................................................. 2

CONTROLE DE VIBRAÇÃO EM ESTRUTURA FLEXÍVEL UTILIZANDO MODOS

NORMAIS NÃO LINEARES ............................................................................................ 5

SISTEMAS DE MONITORAMENTO ESTRUTURAL BASEADOS NA

IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA EM APLICAÇÕES RUIDOSAS ........................ 8

LEVITAÇÃO ACÚSTICA .............................................................................................. 11

AVALIAÇÃO DA PERTURBAÇÃO DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA

NA ÁREA DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEM EM INSTALAÇÕES

HOSPITALARES ............................................................................................................. 14

DINÂMICA E CONTROLE NÃO-LINEARES DA MICROSCOPIA DE FORÇA

ATÔMICA (AFM), INCLUINDO-SE TERMOS DE ORDEM FRACIONÁRIA .......... 17

ESTUDO DO POTENCIAL DE COLHEITA DE ENERGIA PARA MEDIÇÃO DE

VAZÃO EM APLICAÇÕES DE IOT ............................................................................. 20

ESTUDO DA SIMULAÇÃO DA OPERAÇÃO E CONTROLE DAS POTÊNCIAS

ATIVAS DE DOIS GERADORES COM COMUNICAÇÃO SEM FIO ........................ 22

DETECÇÃO DO FENÔMENO DA QUEIMA NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO

PLANA POR MEIO DO CRITÉRIO DE HINKLEY...................................................... 25

TÉCNICA DE DIAGNÓSTICO DE DANOS DE PEÇAS METÁLICAS DURANTE O

PROCESSO DE RETIFICAÇÃO BASEADA EM IMAGENS ACÚSTICAS ............... 28

MONITORAMENTO DA CONDIÇÃO DA FERRAMENTA DE DRESSAGEM

USANDO IMPEDANCIA ELETROMECANICA .......................................................... 31

IDENTIFICAÇÃO DE ADULTERAÇÃO DE LEITE BOVINO PELO MÉTODO DA

PROPAGAÇÃO DE ONDAS MECÂNICAS UTILIZANDO CÁPSULA

PIEZOELÉTRICA ........................................................................................................... 34

PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS APLICADO NO MONITORAMENTO

DA VIBRAÇÃO AUTO-EXCITADA – CHATTER ...................................................... 37

IDENTIFICAÇÃO DE DANOS SUPERFICIAIS EM PEÇAS RETIFICADAS PELO

MÉTODO DA IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA .................................................. 40

ARQUITETURA ORIENTADA A MICROSERVIÇOS PARA APLICAÇÕES DE

INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL ..................................................................... 43

UTILIZAÇÃO DE REDES NEURAIS CONVOLUCIONAIS PARA A DETECÇÃO E

CLASSIFICAÇÃO DE PLANTAS DANINHAS ............................................................ 46

MONITORAMENTO DA PRODUÇÃO E DA EFICIÊNCIA DE PROCESSOS DE

MANUFATURA USANDO RFID E INTERNET DAS COISAS .................................. 49

UM MODELO PARA A APLICAÇÃO DA INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL

.......................................................................................................................................... 51

APLICAÇÃO DO LQR NO CONTROLE DE POSIÇÃO DE UM ESTRUTURA

FLEXÍVEL GIRANTE .................................................................................................... 54

ANALISE DINÂMICA DE UM SISTEMA MICRO CANTILEVER ........................... 58

DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO HIPERCAÓTICO ................................... 61

CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES PZTs DE BAIXO CUSTO PARA

APLICAÇÕES DE ENERGY HARVESTING .................................................................. 64

DESENVOLVIMENTO DE CO-MODELOS DE SIMULAÇÃO DE PLANTAS E

CONTROLADORES COM COMUNICAÇÃO VIA OPC ............................................. 67

SISTEMAS DE ENERGIA .................................................................................................... 70

ENVOLVIMENTO DE UM GERADOR HIDRELÉTRICO NOS MERCADOS DO

DIA SEGUINTE, REGULAÇÃO E AJUSTES ............................................................... 71

ESTUDO DE COMPORTAMENTO DE AEROGERADOR FRENTE A DISTÚRBIOS

DE TENSÃO COM INJEÇÃO DE CORRENTE REATIVA DURANTE FALTA ....... 74

MODELO DE PLANEJAMENTO DA AQUISIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A

MÉDIO PRAZO EM MERCADOS DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS .................... 77

OTIMIZAÇÃO DA OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARA

MINIMIZAÇÃO DOS CUSTOS COM ENERGIA ELÉTRICA .................................... 80

MODELO DE OTIMIZAÇÃO MULTIOBJETIVO DE MINIMIZAÇÃO DE CUSTO E

EMISSÃO CONSIDERANDO FONTES DE ENERGIA EÓLICA E TÉRMICA ......... 83

ANÁLISE DE ALGORITMOS DE APRENDIZADO DE MÁQUINAS COM USO DA

MATRIZ DE CONFUSÃO NO DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES ........... 86

MODELAMENTO DE CICLO DE VIDA PARA TRANSFORMADORES DE

POTÊNCIA EMPREGANDO TEORIA DE POTÊNCIA CONSERVATIVA ............... 89

PROJETO DE UM INVERSOR MULTIFUNCIONAL PARA COMPENSAÇÃO DE

OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA INSTANTÂNEA ......................................................... 92

UM SISTEMA DE COLHEITA DE ENERGIA VIA MÉTODO DE CARDANO

TARTAGLIA ................................................................................................................... 95

TÉCNICA DE DETECÇÃO DE CORRENTE NULA PARA APLICAÇÕES EM

CONVERSORES BOOST OPERANDO EM MODO DE CONDUÇÃO CRÍTICA ..... 99

RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS MULTIOBJETIVO DE DESPACHO ECONÔMICO

E AMBIENTAL EXPLORANDO MÉTODOS DE PROGRAMAÇÃO POR METAS.

........................................................................................................................................ 102

METODOLOGIA PARA DESAGREGAÇÃO DE CARGAS EM INSTALAÇÕES

RESIDENCIAIS ATRAVÉS DE MEDIDORES COGNITIVOS DE ENERGIA ........ 105

MODELO DE COORDENAÇÃO ESTOCÁSTICA EM DOIS ESTÁGIOS PARA

MERCADOS POOL DE ELETRICIDADE DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS ...... 108

DIFERENÇAS NO CUSTO DO PROBLEMA MULTIOBJETIVO DE DESPACHO

COM E SEM OS PONTOS DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA ........................ 111

REFORMULAÇÃO DAS RESTRIÇÕES DE COMPLEMENTARIDADE EM

PROBLEMAS DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO ................................ 117

MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DA CURVA COTA-PREÇO APLICADA AO

MODELO DE AUTOPRODUÇÃO PARA PROBLEMAS DE LEILÃO DE ENERGIA

........................................................................................................................................ 120

EMULADOR DE TURBINA EÓLICA USANDO MOTOR DE INDUÇÃO

ACIONADO POR INVERSOR DE FREQUÊNCIA E CONTROLE DE HARDWARE

NA MALHA ................................................................................................................... 123

UM MÉTODO HÍBRIDO DE PONTOS INTERIORES E PSO E SUA EFICIÊNCIA

NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO .............. 126

DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA GESTÃO DA DEMANDA ATRAVÉS

DE GERENCIAMENTO INTELIGENTE DE ENERGIA E USINAS VIRTUAIS ..... 129

CARACTERIZAÇÃO DE CARGAS NÃO-LINEARES EM CIRCUITOS

TRIFÁSICOS A 3 E 4 CONDUTORES ........................................................................ 132

UTILIZAÇÃO DE SENSORES PIEZELÉTICOS EM TRANSFORMADORES DE

POTÊNCIA PARA LOCALIZAÇÃO DE FALHAS INCIPIENTES ........................... 135

RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO POR

MEIO DA MINIMIZAÇÃO DO GAP DE INTEGRALIDADE ................................... 138

DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR TIPO FONTE Z APLICADO EM KIT

DIDÁTICO PARA ESTUDOS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ............... 141

INVESTIGAÇÃO DO MÉTODO DE PONTO INTERIOR E PENALIDADE E

PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM VARIÁVEIS DISCRETAS

........................................................................................................................................ 144

MODELOS DE OTIMIZAÇÃO PARA PLANTIO E COLHEITA DE CANA-DE-

AÇÚCAR E CANA-ENERGIA CONSIDERANDO-SE GRAUS-DIA ....................... 146

ESTUDOS E PLANEJAMENTO ESTRATÉGICO PARA PRECIFICAÇÃO DO

CUSTO DA ENERGIA EM DIVERSOS CENÁRIOS NO SETOR DE ENERGIA

BRASILEIRO ................................................................................................................. 149

SISTEMAS DE RECOMENDAÇÃO EM SMART HOME COM FOCO EM

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ........................................................................................ 151

ABORDAGENS DE SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA

ÓTIMO REATIVO COM VARIÁVEIS DISCRETAS E LIMITE NO NÚMERO DE

CONTROLES ................................................................................................................. 154

APLICAÇÃO DE UMA FUNÇÃO PENALIDADE ..................................................... 157

POLINOMIAL TRIGONOMÉTRICA NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE ....... 157

FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO ............................................................... 157

O PROBLEMA DE MÁXIMO CARREGAMENTO BASEADO NO FATOR DE

POTÊNCIA COM VARIÁVEIS CONTÍNUAS E DISCRETAS ................................. 160

RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM PONTO

DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA E RESTRIÇÕES DE SEGURANÇA .......... 164

RESUMOS RELATIVOS ÀS APRESENTAÇÕES POR POSTÊRES .......................... 169

CONTROLE DE SISTEMAS DINÂMICOS NÃO-LINEARES COM COEFICIENTES

PERIÓDICOS PELA ANÁLISE DE SINHA E MÉTODO DE BIFURCAÇÕES ....... 170

METODOLOGIA DE CONTROLE COOPERATIVO DE GERADORES

DISTRIBUÍDOS COM MÚLTIPLAS CONSIDERAÇÕES DE OPERAÇÃO ............ 171

BOAS PRÁTICAS DOS PROGRAMAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA MUNDIAIS

APLICADAS AO BRASIL ............................................................................................ 172

DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO E PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS NA

ESTIMAÇÃO DA RUGOSIDADE DE COMPONENTES CERÂMICOS NO

PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA .................................................................... 173

UMA NOVA TÉCNICA PARA A DETECÇÃO DE DANOS EM PEÇAS DE AÇO

ABNT 4340 NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA BASEADA EM SINAIS

ULTRASSÔNICOS GERADOS POR TRANSDUTOR PIEZELÉTRICO .................. 174

PROBLEMAS DE QUALIDADE DE ENERGIA EM PLATAFORMAS DE

PETRÓLEO E SOLUÇÕES BASEADAS EM ALGORITMOS COMPUTACIONAIS

DE APRENDIZAGEM .................................................................................................. 175

CONTROLE DE ESTABILIZAÇÃO DE VOO DE VANTS QUADRIRROTORES:

MODELAGEM, CONTROLE, SIMULAÇÃO E PROTOTIPAGEM .......................... 176

SISTEMA MEDIDOR DE SINAIS DE FORÇA COM DINÂMICA RÁPIDA

UTILIZANDO DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO DE BAIXO CUSTO ........................ 177

IDENTIFICAÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM

TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA EM FUNCIONAMENTO .......................... 178

ESTUDO DE TÉCNICAS DE CONTROLE PARA ESTABILIDADE DE SISTEMAS

EÓLICOS COM GERADOR DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADO ....... 179

EVOLUÇÃO INSTITUCIONAL DE QUALIDADE NO SETOR ELÉTRICO

BRASILEIRO ................................................................................................................. 180

MODELO PARA INDICAÇÃO DE ESCOLHA DE IMPLANTAÇÃO DE FONTE DE

ENERGIA RENOVÁVEL PARA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ................................... 181

MODELO MATEMÁTICO PARA OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE

ABASTECIMENTO DE ÁGUA ................................................................................... 182

METODOLOGIA PARA VIRTUALIZAÇÃO DE SISTEMAS INDUSTRIAIS COM

FOCO NA INDÚSTRIA 4.0 .......................................................................................... 183

DESAGREGAÇÃO DE CARGAS E LUDIFICAÇÃO COMO FERRAMENTAS DE

CONSCIENTIZAÇÃO SOBRE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA .................. 184

ÍNDICE DE AUTORES ....................................................................................................... 185

PROMOÇÃO, APOIO E SUPORTE TÉCNICO .............................................................. 186

1

MECATRÔNICA

2

INVERSÃO DINÂMICA DE SISTEMAS PARA DETECÇÃO DE FALHAS EM

CIRCUITOS LINEARES RLC SÉRIE

Guilherme Augusto Marabezzi Clerice

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru


Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Paulo Sérgio da Silva

Coorientador I – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

Dr. Rui Manuel Esteves Araújo

Coorientador II – Depto. de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores – Feup – Porto

RESUMO

O presente trabalho abordou a inversão esquerda de sistemas dinâmicos aplicada para a

detecção de falhas em circuitos elétricos. Nesse caso, um circuito composto por resistor, indutor

e capacitor em série foi simulado em ambiente Matlab/Simulink/SimPowerSystems, onde

degradações no indutor e no capacitor foram analisadas, assim, esse trabalho teve o propósito

de destacar a aplicabilidade do método de inversão de sistemas. Desta forma, foi possível

concluir que ao aplicar o método da inversão de sistemas dinâmicos, a sensibilidade às

variações dos parâmetros dos componentes é maior que o método do observador de estados.

PALAVRAS-CHAVE: Detecção de falhas. Circuitos lineares. Modelo esquerdo inverso.

1 INTRODUÇÃO

No atual cenário, onde os sistemas que compõem o setor elétrico estão cada vez mais

complexos, alguns deles: geração, transmissão, distribuição e o uso industrial, aumenta a

necessidade de garantir um bom desempenho do funcionamento de todos os componentes

utilizados, pois a má operação de um dispositivo pode levar a interrupção do fornecimento de

energia elétrica ou parada não programada de um processo industrial, que resulta em sérios

prejuízos (Zho et al, 2016).

Para garantir o funcionamento adequado desses dispositivos, nas últimas décadas

pesquisadores utilizam diversos métodos de detecção de falhas, extraídos e adaptados da área

da engenharia aeroespacial onde acompanhar uma evolução temporal de uma possível falha é

de suma importância.

A detecção de falhas necessita de um maior número de sensores, pois é importante obter

a máxima informação de operação do equipamento a ser analisado, entretanto, os custos de

implementação ou a inviabilidade técnica no uso de diversos sensores faz com que dificulte a

aplicação da detecção de falhas em diversos equipamentos.

Dado o problema acima, nos últimos anos vêm crescendo pesquisas na área de detecção

de falhas (DF) baseada em modelos, com isso, se torna necessário apenas uma fração desses

sensores, pois os sinais oriundos deles são inseridos no modelo matemático do dispositivo a ser

analisado. Assim, o modelo é embarcado num sistema microcontrolado que por sua vez, infere

os outros sinais restantes e verifica a existência de falha no equipamento.

3

Esse trabalho utilizou o método de inversão esquerda proposta por (SAIN; MASSEY,

1969) por apresentar maior sensibilidade a detecção de falhas e demonstrar que a inversão de

sistemas dinâmicos é uma ferramenta que pode ser utilizada em detecção de falhas em

dispositivos elétricos.

2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE

Segundo (SAIN; MASSEY, 1969), um sistema inverso pode ser entendido como um

segundo sistema dinâmico linear e invariante no tempo, inserido em série com o sistema

original, constrói em sua saída o sinal de entrada original apresentado na Equação 1.

Há também o método de inversão de sistemas dinâmicos proposto por (MOYLAN, P., 1977),

que é um método iterativo de construção do sinal de entrada (Equação 2), portanto, ele concluiu

que a saída do sistema é nula quando as condições iniciais forem nulas. Esta foi a mesma

conclusão da prova usada por Sain e Massey em 1969. Conforme demonstrado por

(PINHEIRO, 2013) em algumas aplicações o vetor de estado não está disponível para medição

direta. Desta forma, por meio da entrada (estimador de estado) e da saída (inversão de sistema)

de um sistema é possível estimar o seu vetor de estado, consequentemente, estimar a variável

que antes necessitaria de um sensor.

(1)

Sendo G(s) é a função de transferência do sistema e GL(s) a função de transferência inversa do

sistema e Im é a matriz identidade de dimensão m.

(2)

λi com i=1,...,k, sendo λ a diferença de posto que satisfaça a existência da inversa de S e os

valores de A, B, C e D são obtidos por meio da modelagem por espaço de estados.

3 MATERIAL E MÉTODOS

Um circuito RLC (resistor, indutor e capacitor) série foi desenvolvido em ambiente

MATLAB/SIMULINK, utilizando o toolbox simpowersystem para simulação do dispositivo.

Após a montagem do circuito elétrico o modelo inverso esquerdo foi inserido em forma de

diagrama de blocos. Para inserir as falhas multiplicativas, foi alterada a indutância e

capacitância dos componentes a serem analisados.

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste contexto, a inversa de um sistema dinâmico apresentou sensibilidade a detecção

de falhas em componentes passivos como indutor e capacitor, sendo encontrados nos circuitos

lineares e assim podendo expandir a aplicação do método exposto por esse trabalho em

máquinas elétricas e em circuitos equivalentes de linhas de transmissão e distribuição.

O trabalho teve como principal objetivo apresentar a ferramenta de inversão dinâmica

de sistemas, para aplicação em detecção de falhas em circuitos lineares e difundir a importância

4

de tal ferramenta matemática. Cabe destacar que a inversão de sistemas dinâmicos tem grande

potencial para aplicações, hoje conhecidas como sensorless.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

LUENBERGER, David G.. An Introduction to Observers. IEEE Transactions On Automatic

Control, v. 16, n. 6, p.596-602, dez. 1971.

MOYLAN, P. Stable Inversion of Linear Systems. IEEE Transactions on Automatic Control,

v. 22, n. 1, p. 74-78, 1977.

PINHEIRO, VITOR G. V. Metodologia de Diagnóstico Automático de Falhas em Conversores

de Potência, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) -dissertação de

mestrado, set, 2013.

SAIN, M.; MASSEY, J.. Invertibility of Linear Time-Invariant Dynamical Systems. IEEE

Transactions On Automatic Control, v. 14, n. 2, p. 141-149, abr. 1969.

ZHOU, D; ZHAO, J; LIU, Y.. Independent Control Scheme for Nonredundant Two-Leg Fault-

Tolerant Back-to-Back Converter-Fed Induction Motor Drives. IEEE Transactions on

Industrial Electronics, v. 63, n. 11, p .6790-6800, nov. 2016.

5

CONTROLE DE VIBRAÇÃO EM ESTRUTURA FLEXÍVEL UTILIZANDO

MODOS NORMAIS NÃO LINEARES

Daniel Celso Daltin


Prof. Dr. Átila Madureira Bueno

Orientador – Depto. de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba

Prof. Dr. José Manoel Balthazar

Coorientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

RESUMO

O estudo e aplicação de técnicas de análise e controle de sistemas não lineares objetiva melhorar

o desempenho dinâmico desses sistemas, assim esta pesquisa propõe o estudo de sistema de

controle para sistemas rotacionais flexíveis, utilizando os conceitos de Modos Normais Não

Lineares de vibração, e respectivamente o controle das vibrações, buscando realizar o

detalhamento do comportamento dinâmico, identificando os impactos na estrutura flexível. A

metodologia utilizada se baseia no desenvolvimento de modelo matemático a parâmetros

distribuídos, como o modelo de viga de Euler-Bernoulli, e na técnica de Modos Normais Não

Lineares, o que para sistemas com muitos graus de liberdade, pode permitir uma redução de

ordem, diminuindo, com isso, o esforço para a análise do comportamento do sistema dinâmico

e o projeto dos controladores e observadores de estados, além de permitir a inclusão de

fenômenos dissipativos (como atritos) na obtenção dos modos de vibração.

PALAVRAS-CHAVE: Controle de vibração, Estruturas flexíveis, Modos Normais Não

Lineares.

1 INTRODUÇÃO

As vibrações em estruturas flexíveis são problemas que devem ser controlados ou

minimizados para dar maior estabilidade e robustez aos sistemas. Logo, o estudo de técnicas de

controle tem aplicações em diversas áreas da Engenharia, tais como, Engenharia Elétrica,

Engenharia Aeroespacial, Robótica e até mesmo em Sistemas Micro e Nano eletromecânicos

(JUNKINS, 1993; ABDEL-RAHMAN et al, 2003; BHUSAN, 2004; MORITA, 2009).

A técnica de Modos Normais Não Lineares (MNNL), apresentada inicialmente por

Rosenberg (1961, 1962, 1966) é considerada como uma extensão dos modos lineares de

vibração, e tem se mostrado uma ferramenta importante para a análise de vibrações não lineares.

Este trabalho tem por objetivo desenvolver modelo matemático para sistemas

rotacionais com vigas flexíveis delgadas, considerando os Modos Normais Não Lineares. Além

disso, pretende-se, estudar o comportamento do modelo matemático obtido, validando-o

experimentalmente.

2 REVISÃO DA LITERATURA

O método dos MNNL foi inspirado a partir da Teoria da variedade central utilizada para

análise de bifurcações (GUCKENHEIMER e HOLMES, 1983; MONTEIRO, 2002).

A teoria da variedade central permite a obtenção de equações diferenciais que

descrevem o comportamento dinâmico em torno de um ponto de bifurcação sobre a variedade

6

invariante (usualmente uma hipersuperfície). No contexto de MNNL, cujos sistemas

oscilatórios são representados por hiperplanos no espaço de estados, seus componentes não

lineares são descritos utilizando ideias similares. Assim, as variedades invariantes não lineares

são tangentes aos hiperplanos modais lineares no ponto de operação (SHAW e PIERRE, 1991).

Em estruturas nas quais as não linearidades exercem uma influência significativa no

sistema dinâmico, existem diversas possibilidades de análise numérica para avaliar a

estabilidade do sistema, tais como: plano de fase, mapa de Poincaré, diagrama de Bifurcação,

FFT (Fast Fourier Transform), expoentes de Lyapunov, etc. (PARKER e CHUA, 2012;

WILLIAMS, 1997; WOLF et al, 1985).


O equipamento utilizado nessa pesquisa será o sistema Rotary Flexible Link, conforme

apresentado na Figura 1, utilizado para realizar os testes experimentais, assim como o software

MATLAB® / SIMULINK® e LabVIEW® para realizar os cálculos e os gráficos resultantes do

experimento, para posterior análise dos dados do modelo matemático com os ensaios

experimentais para o controle de vibrações em estruturas flexíveis com interface em tempo real

usando o software QUARC®. A pesquisa será desenvolvida no laboratório do Instituto de

Ciência e Tecnologia de Sorocaba (ICTS-UNESP). A metodologia utilizada basear-se-á no

desenvolvimento de modelo matemático utilizando MNNL.

Figura 1: Rotary Flexible Link.

4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A fundamentação teórica terá como subsídios os conceitos de controle de vibração e as

equações do movimento, assim como, os fundamentos dos Modos Normais Não Lineares.

O propósito da modelagem matemática é representar aspectos importantes do sistema

com objetivo de obter as equações que governam o comportamento do sistema de modo que se

possa estudar tanto qualitativamente como quantitativamente o comportamento. Além disso,

com a teoria de controle, podem-se projetar controladores de modo a atender critérios de

desempenho.

Para proceder à formulação dos Modos Normais Não Lineares de vibração para uma

viga não linear, é necessário encontrar suas matrizes de rigidez, de amortecimento e de massa,

aplica-se a equação generalizada de Lagrange para sistema com n graus de liberdade

(SANCHES, 2009).

7

4 CONCLUSÕES

Espera-se que o modelo matemático de estruturas flexíveis, possa atenuar as vibrações

através das técnicas dos Modos Normais Não Lineares (MNNL), na aplicação nos sistemas

rotacionais com vigas flexíveis delgadas, além de permitir a observação do comportamento

dinâmico das estruturas e o controle na viga flexível.


ABDEL-RAHMAN, E. M. NAYFEH, A. H. e MASOUD, Z. N. Dynamics and control of

cranes: A review, Journal of Vibration and Control, v. 9, n.7, p. 863-908, 2003.

BHUSAN, B. Springer handbook of nanotechnology, Heidelberg7 Springer-Verlag, 2004.

GUCKENHEIMER, J. ; HOLMES, P. Nonlinear Oscillations, Dynamical Systems, and

Bifurcations of Vector Fields, Applied Mathematical Sciences. Springer, 2 ed., v. 42 1983.

JUNKINS, J.L. ; KIM, Y. Introduction to dynamics and control of flexible structures.

AIAA, 1993.

MONTEIRO, L. H. A. Sistemas Dinâmicos, v 1. Editora Livraria da Física, 2002.

MORITA, S. Noncontact Atomic Force Microscopy 2. Springer-Verlag GmbH, 2009.

PARKER, T. S. ; CHUA, L. Practical numerical algorithms for chaotic systems. Springer

Science & Business Media, 2012.

ROSENBERG, R. M. On nonlinear vibrations of systems with many degrees of freedom,

Journal advances in applied mechanics, v. 9, p. 155-242, 1966.

ROSENBERG, R. M. On normal vibrations of a general class of nonlinear dual-mode systems,

Journal advances applied mechanics, v. 28, p. 275, 1961.

ROSENBERG, R. M. The normal modes of nonlinear n-degree-of-freedom systems, Journal

advances applied Mechanics, v. 29, n.1, p. 7-14, 1962.

SANCHES, C. T. Modos não-lineares de vibração e controle ativo de risers. 2009. 170 p.

Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São

Paulo, 2009.

SHAW, S. e PIERRE, C. Non-linear normal modes and invariant manifolds, Journal of sound

and Vibration, v. 150, n. 1, p. 170-173, 1991.

WILLIAMS, G. P. Chaos theory tamed. Joseph Henry Press, 1997.

WOLF, A. , SWIFT, J. B. , SWINNEY, H. L. , VASTANO, J. A. Determining lyapunov

exponents from a time series, Physica 16 D: Nonlinear Phenomena, v. 16, n.3, p. 285-317,

1985.

8

SISTEMAS DE MONITORAMENTO ESTRUTURAL BASEADOS NA IMPEDÂNCIA

ELETROMECÂNICA EM APLICAÇÕES RUIDOSAS

Bruno Albuquerque de Castro



Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

RESUMO

Dentre as várias técnicas existentes para a detecção de dano estrutural, a técnica da impedância

eletromecânica (E/M) se destaca por possuir uma metodologia simples e por utilizar

transdutores piezelétricos de baixo custo. Tipicamente, existem duas abordagens para o

diagnóstico de falhas via E/M. A primeira delas, também chamada de abordagem convencional,

se vale de medições de impedância de um único sensor piezelétrico instalado em uma estrutura

hospedeira. A segunda, que se baseia na extração da Função Resposta em Frequência (FRF),

utiliza dois transdutores piezelétricos para a detecção de dano, sendo um configurado como

sensor e, o outro, como atuador. Embora sejam efetivas no diagnóstico de falhas estruturais, a

incidência de ruído na estrutura pode corromper as inspeções e, deste modo, limitar o uso de

ambas análises. Tomando como base essa problemática, este trabalho apresenta uma análise

experimental e comparativa dos efeitos do ruído em ambas metodologias E/M.

PALAVRAS-CHAVE: Impedância Eletromecânica, SHM, FRF, Ruído Estrutural.

1 INTRODUÇÃO

Atualmente os sistemas de monitoramento de integridade estrutural, conhecidos como

sistemas de SHM (Structural Health Monitoring), tem como objetivo garantir um elevado grau

de desempenho e segurança estrutural nos campos relacionados a engenharia civil, mecânica,

naval e aeroespacial. Uma das técnicas mais promissoras em SHM é a técnica da impedância

eletromecânica (E/M), que se vale do uso de transdutores piezelétricos de baixo custo.

Tipicamente, existem duas abordagens para o diagnóstico de falhas via E/M. A primeira delas,

também chamada de abordagem convencional, se vale de medições de impedância de um único

sensor piezelétrico instalado em uma estrutura hospedeira, para a realização do diagnóstico de

falhas. A segunda, que se baseia na extração da Função Resposta em Frequência (FRF), utiliza

dois transdutores piezelétricos para a detecção de dano, sendo um configurado como sensor e,

o outro, como atuador (SILVEIRA; CAMPEIRO; BATISTA, 2017). Embora ambas técnicas

sejam efetivas no diagnóstico de avarias, suas aplicações se tornam limitadas em ambientes

cujos níveis de ruído ou de vibração estrutural são significativos (TAKAHASHI, 2016).

Tomando como base essa problemática, o objetivo deste estudo é comparar o efeito do ruído

em ambas metodologias em estruturas de alumínio.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O princípio da técnica da impedância eletromecânica é baseado no efeito piezelétrico,

que estabelece um acoplamento eletromecânico entre o transdutor e a estrutura a ser analisada.

Na técnica convencional o transdutor opera tanto como um sensor quanto como um atuador e

a impedância elétrica do transdutor tem relação direta com a impedância mecânica da estrutura.

Sendo assim, uma mudança na impedância mecânica por uma determinada avaria, produz

9

mudanças na curva de impedância elétrica do sensor. Com relação à análise via FRF, o

diagnóstico estrutural se dá pela relação entre o sinal de excitação ( ( ))x t e resposta ( ( ))y t de

dois transdutores distintos, cada um operando, separadamente, como atuador e sensor. Ilustra-

se na Figura 1 ambas abordagens.

Figura 1: Metodologia convencional baseada na impedância (a) e FRF (b)

Como ilustrado na Figura 1 (a), a medição de impedância ocorre por um divisor resistivo

formado pelo resistor Rs e a impedância elétrica do transdutor ( )EZ . Já para a metodologia

baseada na função resposta em frequência (Figura 1 (b)), o diagnóstico de danos se dá pelo

cálculo do estimador espectral conforme Equação 1:

( )

( )( )

xy

xx

SH

S

Sendo ( )H o estimador espectral, ( )xyS o espectro de potência cruzado dos sinais de

excitação ( ( ))x t e de resposta ( ( ))y t e ( )xxS o auto espectro de potência do sinal de excitação.

Em ambos os casos, tanto a impedância como a FRF são calculadas para uma

determinada faixa de frequência. Tomando como referência a assinatura característica de ambas

metodologias para a estrutura em condição íntegra, a mudança destas curvas pode ser um

indicativo de dano estrutural.

3 METODOLOGIA

O sistema de medição utilizado nesta pesquisa foi proposto por Baptista e Vieira Filho

(2009). Para a análise convencional, um diafragma piezelétrico foi acoplado a uma chapa

alumínio de dimensões 300 x 500 x 1,00 mm por meio de uma cola a base de cianoacrilato.

Com a utilização de uma placa de aquisição de dados, o transdutor foi excitado por um sinal

chirp x(t) de amplitude 1 V e faixa de frequência de 0-200 kHz com um passo de 2 Hz, e,

concomitantemente, foi realizada a leitura do sinal de resposta y(t) do transdutor para o sinal

chirp. A taxa de aquisição ajustada foi de 2 MHz. As mesmas configurações foram utilizadas

para a análise via FRF, sendo o atuador excitado pelo sinal chirp x(t) e, concomitantemente, a

leitura do sinal de resposta se deu no sensor instalado do lado oposto ao atuador.

(1)(5)

10

Para a geração de ruídos brancos aleatórios na estrutura, que variaram nos valores de

0,5 V, 1 V e 10 V de pico, um outro diafragma de mesmas características foi acoplado na chapa.

Como danos estruturais, foram feitos furos de 1 mm, e 10 mm de diâmetro, os quais

representam, em percentual de área danificada, 0,0005% e 0,05%, respectivamente. Para cada

metodologia, a quantificação do grau de avaria foi realizada por meio do índice CCDM

(correlation coefficient deviation metric – métrica do desvio do coeficiente de correlação) que

comparou duas assinaturas contaminadas com ruído: a primeira, extraída da chapa íntegra

(baseline) e, a segunda, após a inserção dos danos descritos.

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Na condição ideal, tomando as inspeções em ambiente sem ruído, ambas metodologias

se mostraram eficazes para se diagnosticar as avarias inseridas na estrutura, uma vez que o

índice CCDM cresceu com o tamanho do dano. Entretanto, a metodologia FRF apresentou

valores maiores de índices para os danos em questão, mostrando maior sensibilidade ao

diagnóstico de falhas estruturais. Para as inspeções onde o ruído se fez presente, a configuração

FRF se mostrou mais sensível à influência do ruído nas medições, prejudicando o diagnóstico

de falhas em relação à análise convencional. Como exemplo, ruídos maiores que 0.5 V

prejudicaram o diagnóstico de falhas via FRF enquanto, na análise tradicional, estes valores

foram de 1 V. No mais, o aumento do ruído fez com que o índice CCDM apresentasse valores

na ordem dos valores apresentados pela estrutura íntegra, mascarando, assim, a existência de

danos estruturais.

5 CONCLUSÃO

Embora ambas técnicas apresentadas por este trabalho sejam eficazes no diagnóstico de

condição estrutural, mostrou-se que o ruído pode prejudicar e comprometer a correta avaliação

de uma estrutura. Sendo assim, embora a técnica via FRF seja mais sensível ao dano, para

ambientes reais onde o ruído é presente, a técnica convencional se mostrou mais eficaz para o

correto diagnóstico estrutural. Entretanto, verificou-se que, para baselines extraídas em

ambientes não controlados a tendência do sistema é criar falsos diagnósticos de condição

íntegra (falsos negativos) conforme o aumento do nível de ruído.


BAPTISTA F. G.; VIEIRA FILHO, J. “A New Impedance Measurement System for PZT-

Based Structural Health Monitoring”, IEEE Transactions on Instrumentation and

Measurement, vol. 58, no. 10, pp. 3602–3608, 2009.

SILVEIRA, R. Z. M.; CAMPEIRO, L. M.; BAPTISTA, F. G. “Performance of three transducer

mounting methods in impedance-based structural health monitoring applications”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 28, pp. 2349-2362, 2017.

TAKAHASHI, Y. “Evaluation of environmental noise by analyzing faint random vibration in

structural health monitoring” The Journal of the Acoustical Society of America, 2016.

http://journals.sagepub.com/home/jim

http://journals.sagepub.com/home/jim

11

LEVITAÇÃO ACÚSTICA

Cláudio José Ribeiro da Silva




RESUMO

O som é uma onda mecânica e como tal transporta energia que pode agir sobre partículas devido

às forças de radiação acústica. A ideia básica para suspender corpos é aplicar uma força de tal

forma a equilibrar seu peso. Na técnica de levitação acústica uma pequena esfera pode ser

suspensa pela força de radiação acústica gerada por uma onda estacionária, sendo que o ponto

de levitação está localizado na região em que o potencial acústico é mínimo, que é condição

necessária para levitar uma esfera com raio muito menor que o comprimento de onda. Dado o

exposto, este trabalho propõe o desenvolvimento de um modelo matemático de um sistema de

levitação acústica e sua implementação em sistemas de simulação.

PALAVRAS-CHAVE: Simulação, Levitação acústica, Ondas estacionárias.

1 INTRODUÇÃO

A ideia básica para suspender corpos é aplicar uma força de tal forma a contrabalancear

a força gravitacional. O princípio de funcionamento de um levitador acústico pode ser

entendido a partir de conceitos básicos de física. Assim, na técnica de levitação acústica uma

pequena esfera pode ser suspensa no ar pela força que surge a partir da radiação acústica gerada

por uma onda estacionária [2].

Uma onda estacionária obtém-se através da superposição de duas ondas progressivas de

mesma frequência, mesma amplitude e mesmo comprimento de onda, porém, propagando-se

em sentidos opostos [2,7]. Em um tubo ressonante a onda que se propaga é do tipo longitudinal,

sendo que o comportamento da onda longitudinal pode ser descrito pelas mesmas equações que

descrevem uma onda estacionária em um tubo com ambas as extremidades fechadas [2]. Além

disso, em uma onda longitudinal as partículas do ar se deslocam na mesma direção de

propagação da onda [1].

Diversos trabalhos apresentam os fundamentos da levitação acústica [1-7], sendo que

em [3] são apresentados resultados de simulação, e em [6], o levitador Tinylev tem seu

funcionamento descrito. Assim, o objetivo desse trabalho é: i) Compreender os fundamentos

físicos envolvidos nos processos de levitação acústica, ii) Desenvolver modelos matemáticos,

e com esses modelos, iii) criar modelos de simulação computacional. Os modelos deverão ser

baseados na estrutura do levitador TinyLev [6], de modo que os resultados de simulação

poderão ser comparados com os resultados experimentais.


Quando uma esfera se desloca no ar, a esfera faz com que o ar se movimente, e para

levitar essa esfera utilizando ondas estacionárias, é necessário que a força gerada pela radiação

acústica que atua na esfera seja suficientemente elevada para compensar o peso da esfera

[2,7,1].

12

O ponto de levitação localiza-se na região em que o potencial acústico é mínimo,

gerando um ponto de equilíbrio estável, que é condição necessária para levitar uma esfera com

raio muito menor que o comprimento de onda [2,7].

De acordo com o princípio de Bernoulli a onda empurra a esfera para as posições de

mínima amplitude de pressão acústica e de máxima amplitude de velocidade [2]. Quando uma

esfera é colocada na cavidade acústica entre o transdutor e o refletor, ela é empurrada para um

nó de pressão [1,7]. Os pontos de mínimos de potencial acústico ocorrem na linha de centro

transdutor-refletor. O espalhamento da onda acústica pelas esferas afeta a força de radiação

acústica sobre o refletor [7]. Além disso, a força de radiação acústica que atua nas esferas é

aumentada significativamente quando é utilizado um refletor côncavo em vez de um refletor

plano [1]. Nas extremidades do tubo a amplitude de pressão é máxima e a velocidade das esferas

é zero [2].

Se uma perturbação externa altera a posição de equilíbrio de uma esfera, a força de

radiação acústica aumenta e empurra a esfera novamente para a posição original [2,1]. Na

vizinhança de uma posição de mínimo potencial a força de radiação acústica se assemelha com

a força restauradora de uma mola.

Quando um sinal elétrico senoidal é aplicado ao transdutor, sua face vibra também de

forma senoidal, empurrando as moléculas de ar para frente e para trás. Este movimento faz com

que seja produzida uma onda acústica, que se propaga no ar com uma determinada velocidade,

denominada velocidade de propagação.

Para levitar uma esfera, é necessário que a amplitude de pressão da onda estacionária

seja suficientemente elevada. A amplitude de pressão é independente do raio da esfera [2]. A

esfera posiciona-se em levitação entre duas regiões consecutivas de alta amplitude de pressão

[7].

A força que uma onda estacionária exerce em uma partícula esférica de raio muito

menor do que o comprimento de onda pode ser calculada a partir da teoria de Gor’kov [4]. Os

mínimos de potencial ocorrem nas mesmas posições que os nós de pressão da onda estacionária

[2].

O refletor é utilizado para gerar as múltiplas reflexões de onda emitidas pelo transdutor

[7]. Uma das formas de realizar a manipulação de esferas é produzir uma onda estacionária a

partir da superposição de duas ondas progressivas emitidas por dois transdutores opostos. Ao

alterar a diferença de fase entre os transdutores, o nó de pressão da onda é deslocado, fazendo

com que a esfera aprisionada no nó seja manipulada [3].

A força aplicada sobre a esfera é diferente da força aplicada sobre o refletor. A força de

radiação acústica possui maior intensidade no eixo vertical, eixo de propagação da onda

acústica, que no eixo horizontal. A geometria das esferas idênticas produz o mesmo

espalhamento sobre o campo da força de radiação acústica incidente sobre o refletor,

independente do material utilizado.

O emissor de ondas acústicas é o transdutor, toda a face emissora vibra harmonicamente

em uma determinada frequência. Com a Equação de Gor’kov é possível determinar os nós de

levitação, região em que o potencial acústico é mínimo e estável para levitar uma esfera [7]. No

nó a amplitude de pressão acústica é zero [1]. Em um nó pode levitar apenas um objeto [7]. No

anti-nó a amplitude de pressão acústica é máxima.

Quando uma esfera pequena é colocada na região de potencial acústico ela é empurrada

para as regiões de mínimo potencial acústico. Isso significa que a esfera é empurrada para as

regiões de alta velocidade do ar e repelida das regiões de alta pressão. Existe uma mínima

potência elétrica para levitar as esferas.

Dependendo da concentração de esferas, cada esfera que cai afeta a distribuição de

velocidades do ar ao redor dela, fazendo com que a trajetória das esferas vizinhas também seja

13

afetada. Quanto maior a densidade da esfera, mais suave é o aumento da oscilação da mesma,

com o aumento da intensidade da força de radiação acústica.

O comportamento de uma esfera na vizinhança de um ponto de mínimo potencial

acústico é semelhante ao comportamento de uma massa em um sistema massa-mola. A

constante elástica é um parâmetro útil para determinar a capacidade de um levitador em manter

as esferas presas em cada nó. Quanto maior a constante elástica, maior a densidade da esfera

que pode ser colocada no nó do levitador [1]. Uma forma de alterar a geometria da cavidade

acústica é alterar o diâmetro do transdutor ou do refletor.


Os equipamentos utilizados no desenvolvimento do trabalho serão o sistema TinyLev,

bem como o software MATLAB® / SIMULINK® e LabVIEW®, para o desenvolvimento do

sistema de simulação. Os resultados de simulação serão comparados com o observado

experimentalmente no sistema Tinylev.

4 CONCLUSÕES

Espera-se que com os modelos matemáticos seja possível estudar o comportamento

dinâmico dos sistemas de levitação acústica, além de estudos de simulação, e com isso, iniciar

o desenvolvimento de sistemas de controle de levitação acústica.


[1] ANDRADE, M.A.B. Estudo da força de radiação acústica em partículas produzida por

ondas progressivas e estacionárias. EPUSP, São Paulo, 2010.

[2] ANDRADE, M.A.B.; PÉREZ, N.; ADAMOWSKI, J.C. Levitação acústica (Acoustic

levitation). Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 37, 2015.

[3] ANDRADE, M.A.B.; PÉREZ, N.; ADAMOWSKI, J.C. Simulação de um sistema de

levitação acústica para manipulação de partículas em ar. COMSOL, Curitiba, 2015.

[4] GOR’KOV, L.P. On the forces acting on a small particle in na acoustical field in an

ideal fluid. Soviet Physics – Doklady, March, 1962.

[5] KING, L.V. On the acoustic radiation pressure on spheres. McGill University, Montreal,

June, 1934.

[6] MARZO, A.; BARNES, A.; DRINKWATER, B.W. TinyLev: A multi-emitter single-axis

acoustic levitator. Review of Scientific Instruments, 2017.

[7] RAMOS, T.S. Força de radiação acústica produzida por ondas estacionárias de

ultrassom. EPUSP, São Paulo, 2017.

14

AVALIAÇÃO DA PERTURBAÇÃO DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA NA

ÁREA DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEM EM INSTALAÇÕES HOSPITALARES

Nilton José Saggioro



Orientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba


Coorientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

RESUMO

Este trabalho propõe-se a apresentar uma avaliação da qualidade da energia elétrica em

instalações hospitalares. Apresenta a caracterização do consumo de energia de três

equipamentos típicos de diagnóstico por imagem, a saber: ressonância magnética, tomografia

computadorizada e equipamento de raios-X e, utilizando-se de simulação computacional, avalia

a perturbação produzida durante o funcionamento dessas cargas em um ponto de barramento

comum no interior das instalações de um hospital. A partir dos resultados obtidos são feitas

considerações sobre um limite considerado em recomendações técnicas e sobre a potência

nominal dos transformadores utilizados.

PALAVRAS-CHAVE: Qualidade de energia, instalações hospitalares, distorção de tensão.

1 INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de equipamentos médicos utiliza de forma significativa a eletrônica

de potência para controlar a energia, atuando na amplitude, frequência e na forma de onda da

tensão nos equipamentos de conversão de energia, tais como nos equipamentos de diagnóstico

por imagem, que se caracterizam por serem cargas não lineares. Como efeito de sua utilização

nos sistemas elétricos, tem-se o aumento da preocupação com a qualidade da energia elétrica,

pois essas cargas geram distorções harmônicas e picos de corrente [1].

Qualidade de energia é o termo utilizado para avaliação da amplitude, frequência e

forma de onda da tensão e da corrente em determinado ponto da instalação, o que afeta direta

ou indiretamente tanto as cargas conectadas em um barramento comum no interior de uma

instalação hospitalar, quanto à própria rede de energia elétrica da concessionária quando essas

alterações extrapolam o interior das instalações consumidoras. Dessa maneira, qualidade de

energia é um dos principais problemas encontrados atualmente nas instalações industriais,

comerciais e hospitalares, podendo provocar problemas como interferências na operação de

equipamentos médicos, mau funcionamento dos sistemas de proteção, entre outros [2]-[5].

Este trabalho propõe o estudo da qualidade de energia, no quesito distorção harmônica

da tensão, de uma instalação hospitalar composta por um equipamento de ressonância

magnética, um equipamento de tomografia computadorizada (tomógrafo) e um equipamento de

raios-X, visando avaliar através de simulação computacional os níveis de distúrbios produzidos

em um barramento comum de alimentação das cargas sob análise, e compará-los com os limites

preconizados nos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico

Nacional (PRODIST, Módulo 8) [7]. Também se propõe a avaliar a influência da capacidade

nominal dos transformadores que alimentam essas cargas nos níveis de distorção apresentados.

15


Na literatura, existem vários estudos sobre o efeito da distorção harmônica e da

qualidade de energia em sistemas de potência hospitalares. Em [4], é descrita a qualidade de

energia em uma auditoria conduzida em hospitais da Índia, onde foi constatado que os

principais problemas encontrados foram cintilação de tensão, correntes de neutro e distorção

harmônica. Os autores recomendaram a mitigação da distorção harmônica para um melhor

funcionamento dessas instalações. Em [5] é apresentado o estudo de caso na unidade de

emergência de um hospital da Romênia e concluiu que os registros de monitores cardíacos

podem ser afetados por problemas de qualidade de energia. Em [6] foi feita uma avaliação do

nível de poluição harmônica produzida por instalações hospitalares no hospital central de

câncer na Inglaterra, e os autores concluíram que um filtro ativo de potência desempenha um

papel importante na mitigação harmônica.

Conclui-se então que é importante analisar o comportamento de instalações hospitalares

que alimentam cargas não lineares no quesito qualidade de energia.


A Fig. 1 apresenta o diagrama unifilar parcial típico da área de diagnóstico por imagem

de um hospital. Este sistema é composto por um transformador de distribuição de 13800/380 V,

delta-estrela aterrado, conectado a um alimentador (AL-1) que se divide em três ramais (AL-

1.1, AL-1.2 e AL-1.3), cada um atendendo um equipamento médico diferente.

Fig. 2. Diagrama unifilar parcial típico de um hospital.

A Tabela I destaca as características das cargas utilizadas neste estudo, sendo a potência

e o conteúdo harmônico obtido a partir de medições de campo utilizando-se de um analisador

de qualidade de energia elétrica da marca FLUKE, modelo 435:

TABELA I. CARACTERÍSTICAS DAS CARGAS ESTUDADAS.

Carga Potência (kVA) Conteúdo Harmônico das Correntes (%)

THD 3º 5º 7º 9º 11º 13º 15º 17º 19º 21º

Ressonância 85 16,1 1,5 8,5 8,0 1,2 7,3 7,2 0,7 2,5 2,4 0,3

Tomógrafo 75 5,3 1,9 3,4 2,1 0,7 2,0 1,8 0,3 0,5 0,1 0,1

Raio-X 40 36,6 35,8 5,1 4,0 1,5 1,8 2,0 1,0 0,9 0,9 0,5

As simulações foram realizadas no MATLAB/Simulink® e considerou-se que as cargas

são ligadas sequencialmente e permanecem ligadas. No instante inicial da simulação é ligada a

Ressonância Magnética, no instante t=2,0 s é ligado o Tomógrafo e no instante t=4,0 s é ligado

o Raio X. Após a simulação foram tomados os valores da THD de tensão junto às buchas de

saída do lado de baixa tensão do transformador para os três instantes e também foram simuladas

situações para transformadores de diversas potências nominais.


16

A Figura 2 mostra o comportamento da THD de tensão junto às buchas de saída do lado

de baixa tensão do transformador para cada intervalo de tempo (conforme a entrada das cargas)

e para diferentes potências nominais de transformadores.

Fig. 2. THD de tensão no lado BT conforme a entrada das cargas.

5 CONCLUSÕES

Observa-se que o valor limite de 5% preconizado (em [7]) na THD da tensão foi

ultrapassado para o transformador de 225 kVA, apesar da soma das potências das cargas

totalizar 200 kVA e ficar abaixo de sua capacidade nominal. Para evitar que esse limite seja

excedido poderá ser utilizado um transformador de maior capacidade, conforme a Figura 2.


[1] RAMOS, M.C.G. Uma contribuição para a área de saúde por meio da verificação do impacto

da qualidade de energia e das instalações elétricas nos equipamentos eletromédicos. 2009. 253 p.

Tese (Doutorado em Engenharia) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009.

[2] H. Aintablian, “The harmonic currents of commercial office buildings due to non-linear electronic

equipment,” in Southcon/96 Conference Record, 1996, pp. 610–615.

[3] M. H. Rashid, Eletrônica de Potência. Dispositivos, Circuitos e Aplicações, Edição: 4. Pearson,

2014.

[4] U. Rao, S. N. Singh, and C. K. Thakur, “Power quality issues with medical electronics equipment in

hospitals,” in 2010 International Conference on Industrial Electronics, Control and Robotics, 2010, pp.

34–38.

[5] M. I. Buzdugan, H. Balan, and D. T. Muresan, “An electrical power quality problem in an emergency

unit from a hospital – cade study”, in SPEEDAM 2010 International Symposium of Power Electronics,

Electrical Devices, Automation and Motion, 2010, pp. 251-256.

[6] R. Hartungi and L. Jiang, “Investigation of Power Quality in Health Care Facility,” Renew. Energy

Power Qual. J., vol. 8, Apr. 2010.

[7] ANEEL, “Agência Nacional de Energia Elétrica - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica

no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST: Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica,” 2017.

17

DINÂMICA E CONTROLE NÃO-LINEARES DA MICROSCOPIA DE FORÇA

ATÔMICA (AFM), INCLUINDO-SE TERMOS DE ORDEM FRACIONÁRIA

Patricia Soyuri Yamaguchi

Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

Prof. Tit. José Manoel Balthazar


Prof. Ângelo Marcelo Tusset

Coorientador: - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTF, Ponta Grossa-Paraná

RESUMO

O microscópio de força atômica (AFM) com medidas efetuadas em nanoescala é atualmente

um campo de pesquisa multidisciplinar. A pesquisa realizada teve como objetivo principal

contribuir com a pesquisa cientifica sobre o microscópio de força atômica (AFM), considerou

que o sistema opera no modo intermitente e em meio líquido, e que a dinâmica do

amortecimento do meio líquido foi representado por derivadas de ordem fracionária. Através

de ferramentas de simulação numérica foram realizada a análise da dinâmica não linear do

sistema para os casos particulares em que o sistema tenha comportamento caótico. Para

supressão deste comportamento caótico foram analisada estratégias de controle, o controle

SDRE (Estados Dependentes da Equação de Riccati), o controle OLFC (Controle Linear por

Realimentação Ótimo) e o controle TDFC (Controle de Atraso de Tempo), incluindo-se analise

de sensibilidade e robustez.

PALAVRAS-CHAVE: AFM, Caos, Comportamento Dinâmico Não- Linear, Controle.

1 INTRODUÇÃO

Objetivo desta pesquisa é o de contribuir com a pesquisa científica sobre (AFM)

considerando-se que o sistema está operando no modo intermitente e em meio líquido, e que a

dinâmica do amortecimento do meio líquido possa ser representada por derivadas de ordem

fracionária. Através de ferramentas de simulação numérica, realizou a análise da dinâmica do

sistema para os casos em que o sistema tenha comportamento caótico. Para supressão do

comportamento caótico foram utilizadas e analisadas três estratégias de controle, o controle

SDRE (Estados Dependentes da Equação de Riccati), o controle OLFC (Controle Linear por

Realimentação Ótimo) e o controle TDFC (Controle de Atraso de Tempo).

Com o projeto buscou-se efetuar pesquisas nas áreas de modelagem matemática,

simulação computacional, análise da dinâmica e projeto de técnicas de controle. Contribuindo

com áreas multidisciplinares e interdisciplinares e com a perspectiva de atuação integrada em

diversas áreas de conhecimento de engenharia. Além disso, espera-se que no futuro novos

projetos relacionados ao tema possam ser desenvolvidos, e que os resultados possam contribuir

com pesquisas correlatas.


Técnicas de bifurcações e controles otimizados para o AFM em contato conforme

Settimi et al. (2016), sem contato conforme Settimi et al. (2015), no modo intermitente

http://booksc.org/g/Settimi

18

conforme Balthazar et al.(2013), Tusset et al.(2013), Nozaki et al.( 2013 ,2014). Incluindo a

influência de erros paramétricos, com o objetivo de se investigar a análise de sensibilidade, e

fazer simulações do sistema de controle não-linear de freqüência modulada do microscópio de

força atômica (FM-AFM) conforme Bueno et al .(2011).

Recentemente, Tusset et al.(2017), os autores estudaram a dinâmica não-linear de um

Microscópio de Força Atômica (AFM) operando no modo intermitente, considerando a

influência do amortecimento tomando-se ordem fracionária.

De forma a caracterizar o tipo de comportamento, foi utilizado o teste 0-1 conforme

Tusset et al.(2017); uma vez que é uma boa ferramenta para caracterizar sistemas diferenciais

de ordem fracionária. Além disso, a técnica de controle de feedback linear para sistemas de

ordem fracionária foi aplicada para controlar os comportamentos caóticos. Portanto, os

resultados mostraram um comportamento não linear apresentado pelo sistema AFM.

A técnica de controle de realimentação foi eficiente para controlar o movimento caótico

da microviga do AFM, incluindo os resultados da variação dos parâmetros da derivada

fracionada do amortecimento. Em conforme D. Bernardini, et al (2015), o teste 0-1 foi aplicado

para investigar a dinâmica não linear da deflexão da microviga no micoscópio de força atômica,

considerando a influência das forças de Van der Waals, entre várias análises de superfície,

variação da geometria da ponta, influência da constante da mola e a variação do ponto de ajuste

da amplitude da microviga no microscópio de força atômica. Os resultados numéricos obtidos

mostraram que a análise dos parâmetros pode ser muito significativa para o comportamento

caótico ou periódico.

A reconstrução do espaço de estados foi feita conforme Nozaki et al. (2018), com a

teoria da informação mútua e falsos vizinhos mais próximos, observando diferentes retratos de

fase para diferentes distâncias entre a amostra e a ponta.


Para realização do trabalho foram utilizados, um notebook, o programa MATLAB 2017

para simulações numéricas e análise de dados.


Este trabalho apresentou os principais resultados obtido no decorrer da pesquisa: o

comportamento dinâmico e controle de uma microviga flexível, as forças de Van der Waals, os

modos de funcionamento: contato, não contato e contato intermitente; caos, controle não linear,

e as equações para se aplicar o controle, o assunto se tratou de controlar a vibração de uma

microviga flexível, cuja viga representa o movimento de flexão da microviga e as interações.

5 CONCLUSÕES

O controle não linear que foi aplicado no AFM, incluiu simulações, resultados e o

cálculo fracionário, onde a aplicação vem aumentando rapidamente nas áreas de física e

engenharias, pois permitiu descrever uma condição mais real de um objeto do que através dos

métodos de ordem inteiras e foi adotado esta técnica. Tratou da influência do amortecimento,

do termo de rigidez não-linear e do amortecimento em ordem fracionária na dinâmica do

sistema AFM no modo de derivação, aplicou o controle do microscópio da força atômica (afm)

que incluiu a derivada de ordem fracionária.

19


Balthazar J.M., Tusset A.M., Souza S.L.T.D., Bueno A.M., Microcantilever chaotic motion

suppression in tapping mode atomic force microscope, Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 227, 8, 1730-

1741,2013.

Balthazar, J.M; Tusset, A.M.; de Souza, S.L.T.; Bueno, A.M. . Microcantilever chaotic

motion suppression in tepping mode atomic force microscope, 2012.

Bento Rodrigues; Bueno, Átila Madureira, Preventing Chaotic Motion in Tapping – Mode

Atomic Force Microscope, 2014.

Bernardini, Davide; Litak, Grzegorz, An overview of 0-1 test for chaos, 2015.

Bueno, A. M., Balthazar J.M, Piqueira, J.R. C., Phase-Locked Loop design applied to

frequency-modulated atomic force microscope, 2012.

Landolsi Fakhreddine, H. Ghorbel Fathi, Dick Andrew J. Analysis of the occurrence of

stick slip in AFM-based nano-pushing, 2012.

Nozaki, R., Balthazar, J. M., Tusset, A. M., Pontes, B. R. and Bueno, A. M., “Nonlinear

Control System Applied to Atomic Force Microscope Including Parametric Errors”,

Journal of Control, Automation and Electrical Systems, Vol. 24, pp. 223-231, 2013.

Nozaki Ricardo; Navarro, Helio A. ; TUSSET, A. M. ; Rocha, R. T. ; A. P. Da Silva, ; Balthazar,

Jose Manoel . On a Time Series Analysis Generated by a Sensor of an Atomic Force

Microscope (AFM). International review of mechanical engineering (testo stampato), v. 12, p. 1,

2018.

Rodrigues, Kleber dos Santos; Balthazar, José Manoel; Tusset; Angelo, Marcelo; de Pontes,

Preventing Chaotic motion in tapping mode Atomic Force Microscope, 2014.

Settimi Valeria, Gottlieb Oded, Rega Giuseppe. Asymptotic analysis of a noncontact AFM

microcantilever sensor with external feedback control, 2015.

Settimi, Valeria; Rega, Giuseppe. Global dynamics and integrity in noncontacting atomic

force microscopy whith feedback control, 2016.

Tusset, A.M, Balthazar J.M, Janzen F.C, Rocha, R.T, Yamaguchi, P.S. Dynamics Behaviour

and Control of an Atomic Force Microscopy (afm) Including Fractional-Order, 2017.

http://lattes.cnpq.br/9189429774321613



http://booksc.org/g/Settimi

http://booksc.org/g/%20Valeria;%20Rega

http://booksc.org/g/%20Giuseppe

20

ESTUDO DO POTENCIAL DE COLHEITA DE ENERGIA PARA MEDIÇÃO DE

VAZÃO EM APLICAÇÕES DE IOT

Ireno G. Machado Junior


Prof. Dr. Eduardo Paciencia Godoy

Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba

RESUMO

A colheita de energia em pequenas quantidades emerge como uma das soluções para a

alimentação sustentável de sensores e dispositivos de controle e monitoramento em redes sem

fio nas aplicações da Internet das Coisas (IoT). Este trabalho tem como principal objetivo o

desenvolvimento de um protótipo de colheita de energia e monitoramento de vazão a partir de

redes de distribuição hidráulicas. O sistema experimental montado apresenta um circuito

fechado de fluxo variável de água, criado a partir de uma bomba pressurizadora controlável

eletronicamente, com sensor de vazão e um micro hidrogerador. A energia elétrica recuperada

através do micro hidrogerador alimenta um dispositivo de IoT com comunicação via Wi-Fi dos

dados de monitoramento da vazão e ainda provê energia para carregamento de um conjunto de

baterias de suporte. Os testes realizados demonstraram a viabilidade da colheita de energia pelo

micro hidrogerador, com capacidade de geração de aproximadamente 1W, os quais são

suficientes para manter o sistema em operação contínua e comprovar o potencial da colheita de

energia como uma alternativa viável para utilização nas redes de sensores sem fio da Internet

das Coisas.

PALAVRAS-CHAVE: Colheita de Energia, Redes de Comunicação Sem Fio, Internet das

Coisas (IoT).

1 INTRODUÇÃO

A Colheita de Energia em pequenas quantidades para a alimentação dos sensores e

dispositivos de redes sem fio abrange atualmente uma importante parcela das iniciativas de

pesquisa e desenvolvimento, tanto no meio acadêmico quanto nas empresas focadas em

inovações tecnológicas (Harb, 2010). A aplicação da colheita de energia envolve os mais

diferentes campos da engenharia, permitindo a união das áreas de automação, eletroeletrônica,

mecânica e computação. Um dos principais objetivos das pesquisas em colheita de energia é o

de atender ao paradigma da Internet das Coisas (IoT), a qual surge como uma nova revolução

tecnológica onde a interação entre máquinas, seres humanos e o meio ambiente permite um

novo patamar de excelência na forma como se produz bens e serviços.

2 METODOLOGIA

Para realização deste projeto foi construído um protótipo para estudo do potencial de

colheita de energia da vazão hidráulica para desenvolvimento de uma solução autossustentável

de medição e monitoramento dessa vazão. A proposta é que a energia elétrica obtida pela

colheita seja utilizada para a alimentação de um dispositivo eletrônico de medição e

comunicação em rede sem fio no âmbito da Internet das Coisas. A integração da energia

coletada e da medição de vazão é transmitida via comunicação sem fio para o armazenamento

dos dados e disponibilização remota em tempo real e de forma interoperável online, para

21

qualquer tipo de plataforma, como smartphones, tablets ou computadores, tornando os dados

de monitoramento acessíveis em tempo real, para qualquer ponto co-nectado à rede e/ou

Internet.


A Colheita de Energia do meio ambiente através de micro hidrogeradores coletores de

energia do movimento de fluidos é uma das maneiras para suprir energia elétrica para os nós

sensores de redes de comunicação sem fio IoT. Conforme (Gilbert, 2008), as redes de sensores

sem fio oferecem uma solução para muitos problemas de monitoramento de processos, porém

uma barreira para sua adoção é a necessidade de suprir alimentação elétrica por longos períodos

de tempo sem a necessidade de redes cabeadas e a colheita de energia fornece uma solução

potencial para este problema em muitas aplicações. A colheita de energia do meio ambiente

para alimentação de pequenos componentes eletrônicos tem sido intensamente pesquisada na

última década, com o principal objetivo de viabilizar sistemas eletrônicos sem fio auto-

alimentados. (Cunefare, 2013). A micro geração de energia hidráulica para aplicações urbanas

emerge como uma tecnologia promissora na recuperação da energia cinética da vazão do

suprimento de água para impulsionar microturbinas e gerar eletricidade (Alarefi, 2016).


Os trabalhos realizados abrangeram a colheita de energia de um micro hidrogerador e

sua utilização para alimentação de um dispositivo IoT modelo ESP 8266 programado para envio

dos dados via WI-FI, da vazão monitorada do protótipo construído. Os valores máximos de

potência gerada atingiram 916 mW, limitados em função da vazão máxima de 7,2 litros/min.,

obtida a partir da bomba de pressurização, porém com potencial de atingir valores superiores

através das vazões das redes de distribuição hidráulicas existentes. Através dos resultados

obtidos pode-se concluir o potencial e a viabilidade da colheita de energia e sua utilização para

a operação de sensores e dispositivos em redes sem fio, sendo que, na sequência deste trabalho

pretende-se implementar outros protocolos de comunicação, tais como MQTT e Modbus TCP,

com diferentes dispositivos IoT.


ALAREFI, S.A.S; Walker S. D. (2016). Intelligent Low-Cost Micro-Hydro Power Emulator

for Domestic Applications. School of Computer Science and Electronic Engineering CSEE.

CUNEFARE, K. A.; Skow, E.A.; Ertuk, A.; Savor, J.; Verma N.; Cacan, M.R. (2013). Energy

harvesting from hydraulic pressure fluctuations. Iop Publishing Smart Materials And

Structures.

GILBERT, J.M.; Balouchi, F. Comparison of Energy Harvesting Systems for Wireless Sensor

Networks, In: International Journal of Automation and Computing, Hull, 2008.

HARB, A. Energy harvesting: State-of-the-art, In: Elsevier - Renewable Energy 36, 2010.

22

ESTUDO DA SIMULAÇÃO DA OPERAÇÃO E CONTROLE DAS POTÊNCIAS

ATIVAS DE DOIS GERADORES COM COMUNICAÇÃO SEM FIO

Jefferson Aparecido Dias





Coorientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba

RESUMO

Em função de uma demanda crescente pela utilização da energia elétrica, existe a necessidade

da diversificação das matrizes energéticas, na busca de aumento na geração de energia elétrica.

Neste cenário, um dos desafios é a automação na comunicação entre os elementos que

compõem o sistema elétrico, desde o controle da geração distribuída até a medição das

características dos consumidores. Assim, este trabalho apresenta uma análise da operação de

dois geradores, com controle das potências ativas, com comunicação sem fio. Os modelos

computacionais foram desenvolvidos com o emprego do software MatLAB-TrueTime e

MatLAB-PLECS, ambos em ambiente Simulink. Os resultados obtidos indicam que a

comunicação por meio de uma rede sem fio se apresenta como uma alternativa interessante para

essa aplicação.

PALAVRAS-CHAVE: Análise de desempenho, Gerador distribuído, Microgeração, redes de

comunicação.

1 INTRODUÇÃO

O aumento do uso da energia elétrica, devido ao crescimento populacional nos últimos

anos, resultou na adoção de políticas que incentivassem a redução de gases causadores do efeito

estufa em muitos países e isso impulsionou o desenvolvimento de tecnologias de geração

distribuída de baixa ou média potência, incluindo fontes de energia renováveis ou alternativas

e elementos armazenadores de energia. Neste cenário, é fundamental a automação no controle

desses sistemas e que sejam criteriosamente estabelecidas as grandezas a serem monitoradas

para a obtenção dos dados, tais como tensões, correntes e potências, de forma eficiente (AL-

ANBAGI et al., 2013). Assim, este trabalho apresenta o estudo e simulação da operação e

controle de dois geradores distribuídos, com programação das potências ativas fornecidas e

comunicação por meio de uma rede sem fio do tipo ZigBee (ALLIANCE, 2009). A seção a

seguir apresenta a metodologia que foi adotada.

2 METODOLOGIA

A metodologia para o desenvolvimento desse trabalho fundamentou-se em estudos

preliminares referentes ao MATLAB – TrueTime e sobre a operação e controle de um ou mais

geradores distribuídos (GD). Esse desenvolvimento em duas etapas é apresentado a seguir.

23

2.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Foi realizada uma revisão nos tópicos de Topologias de Redes de Comunicação,

MatLAB – TrueTime (CERVIN, 2010) e Redes Inteligentes, obteve-se um material de

referência acadêmica e técnica para os estudos iniciais por meio da base de dados do IEEE,

manual do MatLAB – TrueTime e manual do PLECS Blockset.

2.2 ESTUDO E MODELAGEM DA MICROREDE INTELIGENTE

A modelagem para a simulação do circuito proposto foi desenvolvida no ambiente

PLECS Blockset com aplicação do MatLAB – TrueTime. Para o circuito simulado definiram-se

as comunicações entre os dispositivos conectados, bem como o tipo de informação a ser enviada

ou recebida entre tais dispositivos e o tempo de envio ou recebimento dos dados transmitidos.

A Figura 1 apresenta o circuito simplificado proposto, suas conexões e identificações quanto

ao tipo de software utilizado no desenvolvimento de cada uma das etapas. A rede sem fio

utilizada é do tipo ZigBee cujo protocolo é o IEEE 802.15.4.

Figura 1 – Circuito desenvolvido para a simulação

24

3 DISCUSSÕES

O circuito monofásico, representado de forma simplificada na Figura 1 foi simulado no

ambiente MatLAB PLECS Blockset e apresenta uma tensão eficaz de 127 V na fonte e uma

impedância da rede representada por um equivalente RL em série, onde R = 23,8 mΩ e L = 104

μH. A carga é de 10 kW e as potências do GD1 e do GD2 também são de 10 kW cada, porém,

cada GD injetará na rede apenas uma potência de 5 kW, ou seja, Pref1 = Pref2 = 5 kW. O tempo

de simulação foi de 10 s e os GDs foram ligados na rede a partir do instante t = 0,1 s. A Figura

2 apresenta o comportamento das potências no ponto de acoplamento comum PPAC, potências

de referência Pref1,2 e as potências medidas Pm1,2 respectivamente. A Figura 3 apresenta a rede

de comunicação proposta e a troca de informações entre cada dispositivo do circuito simulado.

A comunicação sem fio ocorre entre os dispositivos definidos como Nó1 e Nó2 e também entre

os dispositivos definidos como Nó3 e Nó4.

Figura 2 – 𝑃𝑃𝐴𝐶, 𝑃𝑅𝑒𝑓1,2 e 𝑃𝑚1,2. Figura 3 – Rede sem fio proposta para dois GD.


Este trabalho apresenta o desenvolvimento, modelagem e simulação de um circuito com

o monitoramento e controle da operação de geradores distribuídos, por meio de uma rede de

comunicação sem fio. Com os resultados obtidos, pode-se observar o comportamento das

potências PPAC, Pref1,2 e Pm1,2 respectivamente, durante a entrada em operação de um GD. Para

a estrutura desenvolvida o Nó1 e o Nó3 atuaram no controle do GD1 e do GD2 respectivamente

e no processamento das medições, enquanto o Nó2 e o Nó4 foram responsáveis pelos controles

das potências ativas. A divisão do controle entre os dispositivos, Sensor e Atuador, permite de

forma remota o acesso e controle da geração da potência ativa, em um ambiente interligado e

interativo entre fornecedores e consumidores.


ALLIANCE, ZigBee. IEEE 802.15.4, ZigBee Standard. 2009.

CERVIN, Anton; HENRIKSSON, Dan; OHLIN, Martin. TRUETUME 2.0 beta – Reference

Manual. Department of Automatic Control, Lund University (June 2010), 2010. Disponível

em: <http://www.control.lth.se/attic/truetime/report-2.0-beta5.pdf>. Acesso em: 3 de

novembro de 2016.

AL-ANBAGI, Irfan; EROL-KANTARCI, Melike; MOUFTAH, Hussein T. A Reliable IEEE

802.15.4 Model for Cyber Physical Power Grid Monitoring Systems. IEEE Transactions on

Emerging Topics in Computing, v. 1, n. 2, p. 258 – 272, 2013.

25

DETECÇÃO DO FENÔMENO DA QUEIMA NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO

PLANA POR MEIO DO CRITÉRIO DE HINKLEY

Carine G. Távora




RESUMO

A retificação é um processo de usinagem amplamente aplicado na manufatura. Um dos danos

mais comuns que ocorre durante este processo é a queima do material, que altera as

propriedades mecânicas da peça usinada, comprometendo suas especificações. Sendo assim, o

diagnóstico da queima em materiais usinados tem extrema importância para a garantia de

qualidade do produto final gerado por este processo, além de auxiliar na manutenção correta de

todo aparato deste tipo de manufatura. Dessa forma, este artigo traz uma nova abordagem não

destrutiva para a identificação da queima em aço 1045 por meio do uso de transdutores

piezelétricos de baixo custo e da técnica de processamento digitais de sinais baseada no critério

estatístico de Hinkley. Os resultados obtidos indicam que o sistema proposto é eficaz em

identificar a queima, sendo uma técnica não destrutiva de rápida resposta e simples

implementação.

PALAVRAS-CHAVE: Critério de Hinkley, Retificação Plana, Monitoramento da Queima,

Transdutor Piezoelétrico

1 INTRODUÇÃO

Os processos de usinagem são de extrema importância para a fabricação de peças

mecânicas, peças que exigem alta precisão dimensional e geométrica e qualidade em sua

construção. Como a retificação se encontra em uma das últimas etapas da cadeia de produção,

é de suma importância monitorar esse processo, já que caso aconteça algum dano durante o

processo de retificação, compromete-se a peça e pode-se perder o trabalho realizado em etapas

anteriores, acarretando em alto custo de produção e perda de matéria prima (FABIANO et al.,

2017). Um dos problemas mais críticos que ocorrem durante o processo de retificação é a

queima nas superfície das peças. A queima ocorre durante a passagem do rebolo pela peça,

quando a quantidade de energia gerada pela área de contato produz um aumento localizado da

temperatura, suficiente para alterar as características estruturais da peça. Essa mudança de fase

geralmente pode ser observada visualmente pela cor azulada no material, porém, são

necessários testes mais elaborados para determinar se essa mudança de cor realmente condiz

com a queima da peça e se realmente houveram alterações de sua microestrutura para

compromete-la (RIBEIRO et al., 2017). Os métodos capazes de avaliar a microestrutura da

peça, chamados de métodos diretos de monitoramento, avaliam diretamente a condição da peça

utilizando sensores ópticos e por isso demandam significativo tempo de análise e obtenção dos

resultados, além de requererem a interrupção do processo e que seja retirada uma amostra da

peça para ser avaliada. Nesse cenário, os métodos indiretos de monitoramento ou inspeção de

integridade superficial das peças, são métodos que dependem de sinais de sensores e por isso

se caracterizam por serem não destrutivos e não intrusivos.

26

Visto isso, este artigo propõe a utilização de uma técnica não destrutiva para a

identificação da queima em aço 1045 por meio do uso de transdutores piezelétricos de baixo

custo e da técnica de processamento digitais de sinais baseada no critério estatístico de Hinkley.


O critério de Hinkley ou Critério de Energia, tem a finalidade de caracterizar sinais de

emissão acústica, cujo conteúdo energético e faixa de frequência variam. É um algoritmo

sofisticado que detecta mudanças no sinal ao longo do tempo, além de mensurar o próprio

comportamento acústico de um sinal. Este algoritmo pondera a energia de cada amostra pela

média da energia do sinal total. O mínimo global desta curva corresponde ao instante de início

de um transitório no sinal (DE CASTRO et al., 2017; MARKALOUS; TENBOHLEN; FESER,

2008; ROBLES; FRESNO; MARTÍNEZ-TARIFA, 2015). A curva de Hinkley 𝑆(𝑖) do sinal

aquisitado 𝑥 é definida como a soma cumulativa das energias de cada amostra, ponderadas pela

média do sinal selecionado, conforme Equação 3 (MARKALOUS; TENBOHLEN; FESER,

2008).

𝑆(𝑖) = ∑ (𝑥𝑘2 −

𝑆𝑁

𝑁)𝑖

𝑘=0 (3)

Em que 𝑖 é o número de amostras da parte selecionada do sinal, 𝑆𝑁 representa a energia total e

𝑁 é o tamanho do sinal selecionado.


Os ensaios foram realizados em uma retificadora plana, onde os sinais de PZT foram

coletados por osciloscópio Yocogawa na passagem do rebolo de oxido de alumínio pela peça.

Foram realizados 8 testes utilizando peças de aço SAE 1045 e um rebolo de óxido de alumínio,

com os seguintes parâmetros de retificação: velocidade da peça 0,124 m/s, velocidade periférica

do rebolo 29,00 m/s, diâmetro do rebolo 307,8 mm, comprimento da peça 7 mm, largura da

peça 15 mm, fluido de corte, emulsão 4%. Os parâmetros da retificação foram mantidos

constantes durante os ensaios, exceto a profundidade de corte que variou de forma a produzir

peças com condições de superfície diferentes: sem queima, queima leve e queima severa. A

profundidade de corte da primeira peça foi de 5 μm e então variou-se para cada peça, 5 μm a

mais que a peça anterior. Os sinais foram processados digitalmente pelo software MATLAB.

Foram aplicados filtros digitais de 20k a 400 kHz após os sinais terem sido cortados apenas na

passada do rebolo, e então foi realizado o cálculo do Critério de Hinkley.


Na Figura 1 é mostrado o Critério de Hinkley para os sinais acústicos provenientes da

retificação das peças 1 e 8.

Tomando-se como base o comportamento do vetor de Hinkley, é possível observar que,

para a peça 1, esta curva mostrou-se constante em todo intervalo de tempo. Cada amostra de

Hinkley do sinal teve valores praticamente iguais à média do sinal acústico total e o critério de

energia manifestou uma tendência nula durante todo o período de tempo correspondente a

usinagem da peça. Por conseguinte, pode-se afirmar que a característica acústica do processo

de retificação para este caso foi homogênea e não apresentou transitórios significativos a ponto

do critério ser sensível, uma vez que a curva não apresentou um ponto de mínimo global. Dessa

forma, pode-se concluir, que o critério de Hinkley mostrou-se sensível ao fenômeno da queima.

27

Figura 1 – Critério de Hinkley para as peças 1 (sem queima) e peça 8 (com queima).

4 CONCLUSÕES

Este artigo apresentou uma nova abordagem para a identificação do fenômeno da

queima em aço 1045 utilizando o critério de Hinkley que se mostrou uma técnica não destrutiva

e de rápida resposta, com grande eficácia e potencial para realizar a identificação da severidade

da queima do material.


DE CASTRO, B. A. et al. Assessment of Macro Fiber Composite Sensors for Measurement of

Acoustic Partial Discharge Signals in Power Transformers. IEEE Sensors Journal, v. 17, n.

18, p. 6090–6099, set. 2017.

FABIANO, L. F. G. et al. Avaliação do diafragma piezelétrico de baixo custo no

monitoramento do processo de retificação plana tangencial. Matéria (Rio de Janeiro), v. 22,

n. 4, 2 out. 2017.

MARKALOUS, S.; TENBOHLEN, S.; FESER, K. Detection and location of partial discharges

in power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions on

Dielectrics and Electrical Insulation, v. 15, n. 6, p. 1576–1583, dez. 2008.

RIBEIRO, D. M. S. et al. Spectra Measurements Using Piezoelectric Diaphragms to Detect

Burn in Grinding Process. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, v. 66,

n. 11, p. 3052–3063, nov. 2017.

ROBLES, G.; FRESNO, J. M.; MARTÍNEZ-TARIFA, J. M. Separation of radio-frequency

sources and localization of partial discharges in noisy environments. Sensors (Switzerland),

v. 15, n. 5, p. 9882–9898, 2015.

28

TÉCNICA DE DIAGNÓSTICO DE DANOS DE PEÇAS METÁLICAS DURANTE O

PROCESSO DE RETIFICAÇÃO BASEADA EM IMAGENS ACÚSTICAS

Fabio Romano Lofrano Dotto


Prof. Titular Paulo Roberto de Aguiar

Orientador – Departamento de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

RESUMO

Este trabalho visa obter imagens acústicas da superfície do rebolo para identificar suas

condições durante a operação de dressagem. Testes experimentais foram realizados com um

dressador de diamante de ponta única em uma retificadora tangencial plana equipada com um

rebolo de óxido de alumínio, no qual marcas específicas foram intencionalmente feitas em sua

superfície para simular danos para posterior identificação. Os valores médios quadráticos

(RMS) foram então calculados a partir do sinal bruto com e sem filtragem e as imagens

acústicas obtidas. Os resultados mostram que a técnica proposta é eficiente para identificar os

danos na superfície do rebolo durante a operação de dressagem, bem como a sua localização.

PALAVRAS-CHAVE: Retificação, Mapa Acústico, Processamento de Sinais

1 INTRODUÇÃO

A retificação é um processo de acabamento de peças que exigem alta precisão e

tolerância dimensional rígida devido ao alto valor agregado. Quando o processo de retificação

ocorre, a superfície de corte do rebolo sofre desgaste e, em seguida, sua capacidade de corte é

reduzida. Por outro lado, a operação de dressagem é responsável por restaurar a superfície de

corte do rebolo. O presente trabalho contribui com a utilização de técnicas de processamento

de sinais de forma a construir um mapa acústico que represente a condição superficial do rebolo

durante a operação de dressagem.


A eficiência do processo de retificação é altamente dependente do desempenho da

ferramenta de corte, o rebolo (MOIA et al., 2015).

No momento que o rebolo perde a capacidade de corte durante o processo de retificação,

torna-se necessário interromper o processo e realizar a operação de dressagem. A solução

consiste em condicionar a superfície do rebolo quando ela perde sua forma original devido ao

desgaste dos grãos abrasivos e a impregnação de cavaco nos poros (LOPES et al., 2017;

MARTINS et al., 2014; MOIA et al., 2015). Neste contexto, o monitoramento da condição da

ferramenta de corte desempenha um papel importante no processo de retificação (LAURO et

al., 2014).

Para o acompanhamento da capacidade de corte do rebolo torna-se necessário o

monitoramento de sua condição que envolve a aquisição, processamento e análise de dados

relacionados à ferramenta sob diversas condições experimentais. Diversas técnicas foram

pesquisadas para realizar cada etapa do monitoramento da condição da ferramenta. (NAKAI et

al., 2015).

A motivação deste estudo baseia-se na pesquisa de (DE OLIVEIRA; DORNFELD,

2001), na qual um mapa de superfícies de rebolos foi obtido a partir dos valores RMS dos sinais

29

EA (Emissão Acústica). No entanto, diferentemente do trabalho que foi mencionado

anteriormente, o presente trabalho utiliza intervalos de tempo variáveis e faixas de frequências

específicas aplicadas ao sinal de EA bruto para construir imagens acústicas a partir a estatística

RMS resultante.


Testes foram realizados usando uma retificadora superficial plana modelo RAPH 1055,

da fabricante Sulmecânica e um rebolo de óxido de alumínio fabricado pela Norton, modelo

38A150-LVH, com dimensões de 355,6 x 25,4 x 127,0 mm. Utilizou-se um sensor EA da marca

SENSIS com faixa de frequência de até 500 kHz. Um encoder foi montado no eixo do rebolo

para coletar o sinal de sincronismo a ser usado na construção do mapa acústico.

Para coletar os dados, utilizou-se um osciloscópio, modelo DL850, da Yokogawa, com

taxa de amostragem de 5 MS/s. A Figura 1a mostra a bancada de testes.

(a) (b)

Figura 1. Bancada de testes (a) e danos com sinal de “+” inseridos na superfície do rebolo (b)

Com o objetivo de simular dano na superfície do rebolo e, posteriormente, obter

imagens acústicas dos dados de EA coletados durante os testes de dressagem, um sinal de soma

(+) foi usinado na superfície do rebolo (Figura 1b). Este símbolo tem comprimentos horizontais

e verticais de 15 mm e profundidade de 2,5mm. Os testes consistiram em 3 passos de dressagem

com profundidade de corte (a) de 10 μm, largura de atuação de dressador (Bd) de 240 μm,

rotação do rebolo de 1800 rpm, grau de recobrimento (Ud) igual a 1 e tempo de dressagem (td)

de 3,53s. As frequências de corte foram determinadas a partir do estudo do espectro de sinal.

Após a filtragem do sinal de EA nas bandas de frequência escolhidas, calculou-se o valor RMS

e obteve-se o mapa acústico do rebolo com e sem filtro, considerando uma janela de tempo de

0,1 ms.


As imagens acústicas foram obtidas de acordo com a metodologia descrita no item 3,

na qual foi utilizado o valor RMS, que foi calculado a partir do sinal EA bruto com filtro e sem

o filtro para as bandas de frequência escolhidas. Nessas imagens, as direções horizontal e

vertical são a circunferência e a largura do rebolo, respectivamente, enquanto a escala de cinza

representa a magnitude do valor RMS da interação entre a superfície do rebolo e o dressador.

A figura 2 mostra duas imagens acústicas obtidas. A imagem superior foi construída usando o

sinal EA RMS calculado a partir do sinal bruto sem qualquer filtro digital (RMS Regular). A

imagem inferior foi gerada de forma semelhante, mas a partir do sinal bruto filtrado na faixa de

30

frequência escolhida (RMS Filtrada). A linha horizontal nesta figura mostra o comprimento do

rebolo. Observa-se que ambas as imagens mostram o símbolo “+”, localizado a 280mm. No

entanto, o símbolo pode ser melhor visualizado na imagem inferior, que foi gerada usando o

filtro digital na banda de frequência escolhida.

Figura 2. Imagens Acústicas obtidas para a estatística RMS com e sem filtro com a=10m

5 CONCLUSÕES

O objetivo do presente trabalho foi obter imagens acústicas a partir de sinais de emissão

acústica para identificar a condição superficial do rebolo de óxido de alumínio. Danos na

superfície da ferramenta de corte foram simulados por meio de uma marca com uma forma

específica. Os testes foram realizados utilizando-se um dressador de ponta única, nos quais

foram coletados sinais EA e sincronismo. Estudos sobre os espectros de frequência do sinal de

EA bruto relacionado às condições da superfície de corte do rebolo foram conduzidos, e bandas

de frequência que melhor representaram essas condições do rebolo foram selecionadas.

Imagens acústicas foram geradas a partir dos valores RMS do sinal de EA com e sem

filtro digital nas bandas escolhidas. A partir dessas imagens, foi possível verificar que o uso do

filtro digital para uma faixa de frequência cuidadosamente escolhida resultou em uma imagem

acústica mais nítida, sendo que o dano induzido pôde ser mais facilmente visualizado.


DE OLIVEIRA, J. F. G.; DORNFELD, D. A. Application of AE contact sensing in reliable grinding

monitoring. CIRP Annals - Manufacturing Technology, [s. l.], v. 50, n. 1, p. 217–220, 2001.

LAURO, C. H.; BRANDÃO, L. C.; BALDO, D.; REIS, R. A.; DAVIM, J. P. Monitoring and processing

signal applied in machining processes - A review. Measurement: Journal of the International

Measurement Confederation, [s. l.], v. 58, p. 73–86, 2014.

LOPES, W. N.; FERREIRA, F. I.; ALEXANDRE, F.; BIANCHI, E.; RIBEIRO, DANILO SANTOS;

JUNIOR, PEDRO CONCEIÇÃO; AGUIAR, P. R. Digital Signal Processing of Acoustic Emission

Signals Using Power Spectral Density and Counts Statistic Applied to Single-Point Dressing Operation.

IET Science, Measurement & Technology, [s. l.], p. 15, 2017.

MARTINS, C. H. R.; AGUIAR, P. R.; FRECH, A.; BIANCHI, E. C. Tool Condition Monitoring of

Single-Point Dresser Using Acoustic Emission and Neural Networks Models. IEEE Transactions on

Instrumentation and Measurement, [s. l.], v. 63, n. 3, p. 667–679, 2014.

MOIA, D. F. G.; THOMAZELLA, I. H.; AGUIAR, P. R.; BIANCHI, E. C.; MARTINS, C. H. R.;

MARCHI, M. Tool condition monitoring of aluminum oxide grinding wheel in dressing operation using

acoustic emission and neural networks. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and

Engineering, [s. l.], v. 37, n. 2, p. 627–640, 2015.

NAKAI, M. E.; AGUIAR, P. R.; GUILLARDI, H.; BIANCHI, E. C.; SPATTI, D. H.; D’ADDONA, D.

M. Evaluation of neural models applied to the estimation of tool wear in the grinding of advanced

ceramics. Expert Systems with Applications, [s. l.], v. 42, n. 20, p. 7026–7035, 2015.

31

MONITORAMENTO DA CONDIÇÃO DA FERRAMENTA DE DRESSAGEM

USANDO IMPEDANCIA ELETROMECANICA

Pedro de Oliveira C. Junior


Prof. Titular Paulo Roberto de Aguiar


RESUMO

O objetivo deste trabalho é validar a proposta de um sistema de monitoramento alternativo da

ferramenta de dressagem baseado na técnica da impedância eletromecânica (EMI), de forma a

contribuir para a otimização do processo de retificação. Assim, ensaios experimentais foram

realizados simulando diferentes condições de falha em um dressador de multipontas de

diamante sintético. Um transdutor piezelétrico de baixo custo do tipo zirconato e titanato de

chumbo (PZT) foi anexado ao corpo da ferramenta e assinaturas de impedância foram medidas

por meio de um sistema de aquisição de dados EMI. Índices representativos foram calculados

para as diferentes condições de danos da ferramenta de dressagem, bem como para diferentes

localizações de falhas consideradas. Dos resultados obtidos, verificou-se que o sistema

proposto foi capaz de detectar as diferentes falhas provocadas na ferramenta, uma vez que as

assinaturas de impedância apresentavam variações significativas em diferentes bandas de

frequência, conforme o dano ocorria.

PALAVRAS-CHAVE: Monitoramento da condição da ferramenta, processos de manufatura,

dressagem, falhas, transdutores piezelétricos, técnica EMI.

1 INTRODUÇÃO

No processo de retificação, a operação de dressagem é realizada para restaurar a

topografia abrasiva do rebolo para que o desempenho ideal possa ser novamente alcançado

quando o mesmo perdeu sua capacidade de corte em função do uso. No entanto, o diamante da

ferramenta de dressagem também sofre desgaste durante tal operação. Dessa forma, um sistema

de monitoramento da operação de dressagem é essencial, já que uma operação de dressagem

usando dressadores com diamantes desgastados proporciona uma agressividade incorreta para

rebolo e, consequentemente, uma retificação inconsistente. Nesse sentido, a fim de se obter

eficiência e baixo custo em termos de processamento, os modernos sistemas de manufatura

usam técnicas de diagnóstico de falhas baseadas em sinais de um ou mais sensores (tais como

emissão acústica, vibração e força) para medir o desgaste, trincas, danos térmicos, dentre outros

danos em ferramentas de dressagem. Porém, a desvantagem de tais sistemas é certamente o seu

alto custo de implementação e a sua viabilidade, uma vez que, os sensores necessitam de

módulos auxiliares e os sistemas inteligentes demandam etapas de processamento

computacional. Por outro lado, o monitoramento de integridade estrutural (SHM) baseado em

impedância eletromecânica (EMI) é uma técnica inovadora para o monitoramento de processos

de manufatura. Umas das vantagens dessa técnica é a sua forma de avaliação não destrutiva

(NDE), que se destaca pela simplicidade e pelo uso de transdutores piezelétricos de baixo custo,

geralmente titanato de zirconato de chumbo (PZT). Sendo assim, este estudo propõe o uso do

método EMI para monitorar a operação de dressagem, com ênfase no diagnóstico de falhas em

dressadores de diamante, como uma nova contribuição para o processo de retificação (JUNIOR

et al., 2018; JUNIOR et al., 2018(b)).

32


O princípio básico do EMI é baseado no efeito piezelétrico, que é a propriedade que

alguns materiais especiais têm para converter energia mecânica em energia elétrica (efeito

direto), bem como, energia elétrica em energia mecânica (efeito reverso). Desta forma,

mudanças na impedância mecânica da estrutura causadas por diferentes tipos de danos, tais

como rachaduras, desgaste ou corrosão, podem ser avaliadas simplesmente por meio da

medição e estudo da impedância elétrica do transdutor em uma faixa de frequência apropriada.

Nesse sentido, o dano é identificado pela comparação da impedância elétrica do transdutor

medida com a estrutura em uma condição inicial, considerada saudável, com a impedância

medida no transdutor após a estrutura ter sofrido possíveis danos. Essa comparação é feita por

meio de métricas de danos. Um dos índices mais utilizados na literatura é o RMSD (Root Mean

Square Deviation), dado pela Equação (1), (BAPTISTA; VIEIRA, 2009).

𝑅𝑀𝑆𝐷 = ∑ √[𝑍𝐸,𝐷(𝑘)−𝑍𝐸,𝐻(𝑘)]

2

𝑍𝐸,𝐻2 (𝑘)

𝜔𝑓

𝑘=𝜔𝑙 (1)


Ensaios experimentais foram realizados usando um dressador industrial, multipontas,

de diamante sintético, (também conhecido como fliesen), de 50 mm de comprimento. Um

transdutor PZT de baixo custo do tipo diafragma, composto por placa de latão circular de 12

mm de diâmetro e cerâmica piezoeléctrica de 9 mm de diâmetro (elemento ativo) foi usado no

experimento, o qual foi colado no corpo do dressador. A medição das assinaturas de impedância

elétrica foi realizada por meio do sistema de medição EMI baseado em (BAPTISTA; VIEIRA,

2009), utilizando o dispositivo DAQ NI USB-6221. O transdutor PZT foi excitado através de

um resistor de 2.2 k e um sinal de chirp de 1V. O sinal de resposta foi amostrado a 250 kS/s.

O experimento consistiu na simulação de danos por meio da confecção de furos em diferentes

posições equidistantes ao longo da superfície do dressador que possuía 15 mm de largura e 2

mm de espessura, usando uma furadeira industrial equipada com uma broca de aço rápido de 1

mm de diâmetro. Assim, seis condições de danos foram definidas no experimento, o que

permitiu uma análise gradual da severidade do dano na ferramenta (de 1 a 6). Para analisar os

resultados, os índices de dano RMSD foram calculados usando a parte real da impedância. Foi

considerada a faixa de frequência de 0 a 120 kHz e intervalo de 10 kHz, adotando como

referência a condição inicial da ferramenta, sem danos (baseline).


A Figura 1 apresenta os resultados das assinaturas de impedância por meio dos índices

RMSD, para as diferentes condições de dano induzidas na ferramenta de dressagem. Pode-se

observar que o sistema proposto foi capaz de detectar falhas da ferramenta de dressagem, pois

variações nas assinaturas de impedância acontecerem e, naturalmente, foram refletidas nos

índices RMSD, devido as diferentes variações estruturais que a estrutura sofreu quando os

danos foram provocados. Nota-se que os índices RMSD mostraram uma clara tendência de

crescimento em função da evolução das falhas na ferramenta de dressagem. Além disso, a

abordagem proposta foi capaz de diagnosticar a ferramenta sob condições severas de falhas,

principalmente no caso dos danos #5 e #6, uma vez que os índices RMSD foram mais altos,

principalmente na faixa de frequência de 100-120 kHz. Além disso, os resultados obtidos

33

mostraram que o sistema também foi capaz de detectar as falhas em diferentes locais,

correspondendo às diferentes posições em que se foram induzidos os danos na superfície da

ferramenta de dressagem.

Figura 1 – Índices RMSD para os diferentes níveis de danos considerados neste estudo

4 CONCLUSÕES

Esta pesquisa teve como objetivo avaliar as mudanças na integridade estrutural em

ferramentas de dressagem, causadas pelo desgaste durante a sua vida útil, bem como com danos

e falhas causados por outros fatores, como temperatura, choques, corrosão, etc. Sendo assim, a

abordagem proposta foi validada, uma vez que o método foi eficiente na detecção das alterações

sofridas pela estrutura do dressador, bem como na quantificação dos níveis de dano em termos

de amplitude. O sistema proposto poderá ser implementado no processo de retificação e evitar

que a operação de dressagem seja realizada com dressadores com diamantes desgastados ou

danificados, uma vez que foi possível identificar diferentes etapas da vida útil da ferramenta,

refletindo, portanto, na otimização do processo de retificação.


BAPTISTA, F. G.; VIEIRA, J. F. A new impedance measurement system for PZT based

structural health monitoring. IEEE Trans. Instrum. Meas, v. 58, n. 3602–8, p. 3602–3608,

2009.

JUNIOR, P. DE O. C. et al. A New Approach For Dressing Operation Monitoring Using

Voltage Signals Via Impedance-Based Structural Health Monitoring. KnE Engineering, p.

942–952, 2018.

JUNIOR, P. O. C. et al. Time-domain Analysis Based on the Electromechanical Impedance

Method for Monitoring of the Dressing Operation. 2018, [S.l: s.n.], 2018.

Bandas de frequência Evolução do dano

34

IDENTIFICAÇÃO DE ADULTERAÇÃO DE LEITE BOVINO PELO MÉTODO DA

PROPAGAÇÃO DE ONDAS MECÂNICAS UTILIZANDO CÁPSULA

PIEZOELÉTRICA

Marcos Messias dos Santos Junior




RESUMO

Adulteração alimentícia é um ato de degradação intencional da qualidade da alimentação

ofertada para venda ou por mistura ou por substituição de substâncias com qualidades

nutricionais inferiores ou pela remoção de alguns nutrientes indispensáveis. Este trabalho de

pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para identificação de

contaminantes de leite bovino por meio do método da propagação de ondas mecânicas em meio

material (vibrações e emissão acústica) geradas e captadas por cápsulas piezelétricas de baixo

custo.

PALAVRAS-CHAVE: Emissão Acústica, Cápsulas piezelétricas (PZT), Análise temporal.

1 INTRODUÇÃO

Adulteração do leite criou um problema significativo para a indústria de laticínios,

conduzindo a perdas econômicas, deterioração da qualidade do produto e risco para a segurança

dos consumidores. Entretanto, a maioria dessas medições são caras e consomem tempo, assim

como, a amostra de leite necessita ser retirada diariamente para testes laboratoriais. Nesse

contexto, tornou-se necessário desenvolver novos e melhorados instrumentos para a detecção

rápida e confiável desse tipo de fraude (Mabrook & Petty, 2003). Os transdutores piezelétricos

são amplamente utilizados em várias aplicações de engenharia, como avaliação da integridade

estrutural, energy harvesting, localização de descargas parciais, dentre outros. Cabe observar

que, segundo (Baptista, 2010), estes dispositivos apresentam baixo custo, dimensões reduzidas

e baixo consumo de energia.


O princípio da técnica da impedância eletromecânica é baseado no efeito piezelétrico,

que estabelece um acoplamento eletromecânico entre o transdutor e a estrutura a ser analisada.

Na técnica convencional o transdutor opera tanto como um sensor quanto como um atuador e

a impedância elétrica do transdutor tem relação direta com a impedância mecânica da estrutura.

Sendo assim, uma mudança na impedância mecânica por uma determinada avaria, produz

mudanças na curva de impedância elétrica do sensor. Com relação à análise via função resposta

em frequência (FRF), o diagnóstico estrutural se dá pela relação entre o sinal de excitação e

resposta de dois transdutores distintos, cada um operando, separadamente, como atuador e

sensor. A Figura 1 ilustra a abordagem.

35

Figura 3- Metodologia baseada na FRF.

A metodologia baseada na função resposta em frequência (Figura 1), o diagnóstico de

danos se dá pelo cálculo do estimador espectral conforme Equação 1:

𝐻(𝜔) =𝑆𝑥𝑦(𝜔)

𝑆𝑥𝑥(𝜔) (1)

sendo 𝐻(𝜔) o estimador espectral, 𝑆𝑥𝑦(𝜔) o espectro de potência cruzado dos sinais de

excitação (𝑥(𝑡)) e de resposta (𝑦(𝑡)) e 𝑆𝑥𝑥(𝜔) o auto espectro de potência do sinal de

excitação.

A FRF é calculada para uma determinada faixa de frequência. Tomando como referência

a assinatura característica de ambas metodologias para a estrutura em condição o leite puro, a

mudança destas curvas pode ser um indicativo de contaminação.


Com a utilização de uma placa de aquisição de dados, o transdutor foi excitado por um

sinal chirp 𝑥(𝑡) de amplitude 1 V e faixa de frequência de 0-65 kHz com um passo de 2 Hz, e,

concomitantemente, foi realizada a leitura do sinal de resposta 𝑦(𝑡) do sensor instalado do lado

oposto ao atuador. A taxa de aquisição ajustada foi de 250 kHz.


Espera-se que diferentes contaminantes e suas concentrações possam ser identificados

pela metodologia proposta. Preliminarmente, já que o trabalho se encontra em

desenvolvimento, é a apresentado nas Figura 2 (a) e Figura 2 (b) resultados preliminares da

técnica proposta.

Figura 4 - Resultados preliminares.

36

5 CONCLUSÕES

O estudo da identificação de tipos de adulterações no leite tem se mostrado de muita

utilidade, tendo como características a implantação de processos rápidos, confiáveis, de baixo

custo, menor volume possível para a análise e melhor custo benefício. O método descrito neste

trabalho, com emissão acústica e sensores PZT atuando como emissor e receptor, se encaixa de

forma interessante neste contexto, podendo, ao seu final, contribuir de forma efetiva nos

processos de identificação de contaminantes em leite.


Baptista, F. G. (2010). Uma Contribuição aos Sistemas de Monitoramento de Integridade

Estrutural Baseados na Impedância Eletromecânica. Ilha Solteira: UNESP – Campus de Ilha

Solteira.

Mabrook, M., & Petty, M. (27 de Maio de 2003). A novel technique for the detection of

added water to full fat milk using single frequency admittance measurements. Science

Direct, p. 1.

37

PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS APLICADO NO MONITORAMENTO DA

VIBRAÇÃO AUTO-EXCITADA – CHATTER

Rogério Thomazella




RESUMO

Dentre os problemas críticos do processo de retificação se encontra a vibração regenerativa,

que é a forma mais comum de vibração auto-excitada (chatter). Este trabalho tem como objetivo

monitorar a ocorrência do fenômeno de chatter na retificação do aço SAE 1045 com rebolo de

óxido de alumínio, empregando-se técnicas de processamento digital de sinais de aceleração.

Realizou-se um estudo do conteúdo harmônico do sinal para as diferentes condições

superficiais da peça retificada, escolhendo-se uma faixa de frequência que melhor representou

essas condições. Em seguida, utilizou-se a estatística denominada Razão de Potência (ROP)

para a identificação do chatter. Os resultados mostraram que as magnitudes relacionadas às

frequências próximas a 30Hz mudam à medida que o fenômeno de chatter ocorre e que o

comportamento da ROP possui características relacionadas com o chatter.

PALAVRAS-CHAVE: Vibração auto-excitada, retificação tangencial plana, chatter.

1 INTRODUÇÃO

A qualidade da superfície da peça em processo de usinagem pode ser prejudicada por

vibrações causadas por fontes externas ou internas. Esses distúrbios são frequentemente

causados por oscilações auto-excitadas, também chamadas de chatter (AHRENS et al., 2016).

Na usinagem, pequenas ondas na superfície da peça são geradas pela passagem da ferramenta

de corte, as quais podem causar a ocorrência dessas vibrações auto-excitadas (YAN; XU;

WIERCIGROCH, 2015). Alguns fatores como altas taxas de remoção de material,

desbalanceamento e excentricidade do rebolo podem contribuir para o surgimento do chatter

(INASAKI; KARPUSCHEWSKI; LEE, 2001). O chatter no processo de retificação geralmente

surge por meio de vibrações de maior amplitude, próximas das vibrações harmônicas do rebolo

e da peça (GRADIŠEK et al., 2003), que afetam a qualidade da superfície da peça.


O reconhecimento da ocorrência do fenômeno de chatter, embora aparente ser uma

tarefa simples para um operador treinado, consiste em uma tarefa difícil quando se trata do

reconhecimento automático desse fenômeno (GRADIŠEK et al., 2003).

A detecção automática da ocorrência de chatter no processo de retificação cilíndrica por

meio de um conjunto de sensores é apresentada por (AHRENS et al., 2013), que posteriormente

propôs um método de compensação ativo de chatter capaz de estabilizar e prevenir tal fenômeno

no processo de retificação (AHRENS et al., 2016). Em todos esses trabalhos, o espectro de

frequência dos sinais advindos dos sensores foi utilizado, porém a aplicação do parâmetro ROP

no estudo do chatter é inédita, e definida por (MARTINS et al., 2013) na Equação 1:

38

𝑅𝑂𝑃 = ∑ |𝑋𝑘|2𝑛2

𝑘=𝑛1

∑ |𝑋𝑘|2𝑁−1𝑘=𝑛1

(1)

onde N é comprimento do segmento de dados do sinal amostrado, 𝑛1 e 𝑛2 definem a faixa de

frequências, e 𝑋𝑘representa a k-ésima saída da transformada discreta de Fourier (DFT).


Os ensaios experimentais foram realizados em uma máquina retificadora plana

tangencial, modelo RAPH 1055, equipada com um rebolo de óxido de alumínio as quais

utilizou-se 8 peças de aço SAE 1045, com dimensões de 150 mm x 7 mm x 48 mm, com

velocidade de corte de 29,0 m/s, velocidade de avanço de 0,124 m/s e 35μm de profundidade

de corte. Na detecção dos sinais de vibração, foi utilizado um acelerômetro, modelo 353B03.

Após o processo foram obtidas as imagens da superfície de cada peça e a partir destas imagens

fez-se a inspeção para realização do processamento digital de imagens. Os sinais de vibração

foram amostrados a 2 MS/s e reamostrados a 100 kS/s, sendo um filtro passa-baixa de 7 kHz

foi aplicado neste sinal.

Os espectros de frequência foram obtidos por meio da Transformada Rápida de Fourier

(FFT) usando-se a janela de Hanning. A partir do estudo dos espectros, uma banda de

frequência foi escolhida, a qual melhor representou o chatter e, em seguida, foi obtida a

estatística ROP para a detecção desse fenômeno.


O período (ΔT) do chatter observado na superfície da peça retificada foi de

aproximadamente 35ms, o que equivale a uma frequência em torno de 30 Hz, próxima a

frequência de rotação do rebolo, ilustrada na Figura 1 e descrito por (GRADIŠEK et al., 2003).

Figura 1. Inspeção visual da superfície da peça.

A Figura 2 mostra o espectro de frequência de seguimentos dos sinais de uma peça na

qual houve regiões com e sem chatter, bem como o espectro de todo o sinal ao longo da peça.

Observa-se na Figura 2(b), que há uma diferença de energia entre os espectros com e

sem chatter na faixa de frequência entre 20 – 40 Hz. Esse resultado está em consonância com a

afirmação feita por (GRADIŠEK et al., 2003) e com o resultado obtido a partir da inspeção

visual, demonstrando uma relação expressiva entre esse fenômeno e o sinal de vibração.

Com base no estudo desses espectros, foi selecionada a banda de frequência de 3kHz a

4kHz, pois as amplitudes das mesmas apresentam um mínimo de sobreposição para as

diferentes condições da peça. Em seguida, calculou-se a ROP na faixa de frequência escolhida.

Os resultados mostraram uma boa relação das curvas obtidas com a ocorrência do chatter.

Sem chatter

ΔT ΔT ΔT

ΔT ΔT ΔT

Com chatter

39

Figura 2. (a) espectro de frequência; (b) ampliação da frequência de rotação do rebolo;

(c) ampliação da banda de frequência que foi utilizada para cálculo da ROP.

4 CONCLUSÕES

A partir do estudo realizado, concluiu-se que os a frequência de rotação do rebolo possui

uma forte relação com a ocorrência do chatter, sendo que essa relação se estende para

frequências múltiplas da frequência de rotação do rebolo. Do estudo do conteúdo harmônico do

sinal de vibração, observou-se que a faixa de frequência de 3kHz a 4kHz possui um forte

relacionamento com o chatter e, portanto, foi escolhida para a obtenção da ROP. O parâmetro

ROP aplicado em uma banda de frequências possibilitou identificar as regiões da superfície da

peça com e sem a ocorrência de chatter e, portanto, esta estatística tem forte potencial para o

monitoramento do chatter. No entanto, esse trabalho é ainda preliminar, sendo que outros

materiais, rebolos, e bandas de frequências devem ser analisados para a verificação do método

proposto.


AHRENS, M. et al. An Active Damping Method for Chatter Vibration in Plunge Grinding

Using Electromagnetic Actuators. Procedia CIRP, v. 46, p. 197–200, 2016.

GRADIŠEK, J. et al. Automatic chatter detection in grinding. International Journal of

Machine Tools and Manufacture, v. 43, n. 14, p. 1397–1403, nov. 2003.

INASAKI, I.; KARPUSCHEWSKI, B.; LEE, H.-S. Grinding Chatter – Origin and Suppression.

CIRP Annals - Manufacturing Technology, v. 50, n. 2, p. 515–534, 2001.

MARTINS, C. H. R. et al. Neural networks models for wear patterns recognition of single-

point dresser. [s.l.] IFAC, 2013. v. 46

YAN, Y.; XU, J.; WIERCIGROCH, M. Non-linear analysis and quench control of chatter in

plunge grinding. International Journal of Non-Linear Mechanics, v. 70, abr. 2015.

40

IDENTIFICAÇÃO DE DANOS SUPERFICIAIS EM PEÇAS RETIFICADAS PELO

MÉTODO DA IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA

Fábio Isaac Ferreira


Prof. Paulo Roberto de Aguiar


RESUMO

Um dos principais problemas na produção de peças após a retificação é a ocorrência de danos

térmicos (queima, trincas, alterações metalúrgicas e tensão residual). Normalmente, eles são

detectados apenas através de técnicas destrutivas, por exemplo através de exames metalúrgicos.

Sob esta perspectiva, a técnica EMI (electromechanical impedance) surge como um método

não destrutivo promissor, a fim de auxiliar na validação e detecção de danos em componentes

usinados. Portanto, o objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade do método EMI ao

processo da retificação sob diferentes condições de corte. Para isto, peças de aço foram

retificadas utilizando diferentes valores de espessura equivalente de corte (heq) e medições da

EMI foram coletadas antes e após a retificação. A partir dos resultados parciais que foram

obtidos, pode-se verificar que os índices de dano calculados a partir das medições da

impedância eletromecânica possuem relação direta com os valores da espessura equivalente de

corte.

PALAVRAS-CHAVE: Retificação, impedância eletromecânica, integridade superficial,

técnica não destrutiva.

1 INTRODUÇÃO

O método EMI é uma técnica de monitoramento de integridade estrutural (SHM –

Structure Health Monitoring), que consiste em excitar um transdutor de baixo custo constituído

por um diafragma piezoelétrico de titanato zirconato de chumbo (PZT), o qual é fixado sobre a

estrutura, ao mesmo tempo em que captura um sinal elétrico de resposta utilizando uma placa

de aquisição. Este método é descrito detalhadamente em (Baptista & Filho, 2009). Ainda, um

estudo das características elétricas deste transdutor aplicado em SHM é apresentado no trabalho

(Almeida, Baptista, & Aguiar, 2015). O sinal de resposta que é coletado pelo sensor pode ser

analisado no domínio do tempo ou da frequência a fim de procurar características nos sinais

que estão associadas aos fenômenos mecânicos estudados.

O objetivo do presente trabalho é avaliar a integridade da superfície de peças após a

retificação mecânica para diferentes condições de corte utilizando a técnica da impedância

eletromecânica.


Em trabalho recente, (Marchi, Baptista, Aguiar, & Bianchi, 2015) estudaram o efeito da

rugosidade da peça no processo de retificação plana, utilizando transdutores PZT e análise de

correlação com a impedância eletromecânica da peça, o que demonstrou o potencial para a

identificação da queima. A identificação do dano é feita comparando-se a impedância elétrica

do transdutor medida com a estrutura em uma condição inicial, considerada íntegra, com a

impedância medida após a estrutura ter sofrido um possível dano. Essa comparação é realizada

41

por meio de índices de falha métrica, o desvio da raiz média quadrática, RMSD (Root Mean

Square Deviation), e a métrica do desvio do coeficiente de correlação, CCDM (Correlation

Coefficient Deviation Metric).


Os ensaios foram realizados utilizando uma retificadora plana tangencial, da fabricante

Mello modelo P36, para os ensaios em peças do aço ABNT N2711. Foi empregado um rebolo

abrasivo convencional de óxido de alumínio branco com especificação AA48K6V, com ligante

vitrificado e de baixa dureza com as dimensões: 290 x 25,4 x 76 mm. Os parâmetros de corte

utilizados na retificação foram: Velocidade de corte (Vs) de 36 m/s; Velocidade da mesa (Vw)

de 2,4 e 5,0 m/min; Penetração radial do rebolo (ae) de 10, 25 e 50 µm. Esses parâmetros foram

combinados para obter diferentes espessuras equivalentes de corte. A impedância

eletromecânica foi medida antes e após a usinagem utilizando diafragmas piezelétricos de baixo

custo, modelo 7BB-25-3, do fabricante Murata, fixados sobre as extremidades das peças,

conectados a uma placa de aquisição de dados, modelo USB-6221 da National Instruments. Um

sinal chirp com frequência de até 125 kS/s foi aplicado à peça e os sinais foram coletados a 250

kS/s pela placa de aquisição. Os ensaios EMI foram feitos em laboratório sob temperatura

controlada de 23°C e com isolação de vibrações através do posicionamento sobre espumas. Os

índices de dano RMSD e CCDM foram calculados a partir das medições EMI antes e após a

usinagem para cada peça. Esses índices foram obtidos para diferentes bandas de frequências e

procurou-se uma banda que apresentasse uma tendência crescente de acordo com a acréscimo

da espessura equivalente de corte.


A Figura 1 apresenta os índices CCDM calculados a partir da parte real da impedância

eletromecânica para a banda de frequência 65-75 kHz para diferentes valores de heq obtidos no

processo da retificação. É possível observar que, para esta banda, quanto maior o valor da

espessura equivalente de corte utilizada no processo da retificação, maior é o valor do índice

CCDM. De fato, o parâmetro heq está relacionado com a espessura física de material que está

sendo removido no processo da retificação. Portanto, a banda de frequência apontada neste

estudo é sensível à esta variação de espessura do material: quanto maior a espessura de material

removido, maior é o índice obtido pelos sinais elétricos coletados pelos PZT. Por isso, é

possível afirmar que esta banda está diretamente relacionada à severidade dos ensaios de

retificação para as condições de testes especificadas.

Figura 1 – Índice CCDM para a banda de frequência de 65-75 kHz

sob diferentes espessuras equivalentes de corte (heq).

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,017 0,028 0,035 0,058 0,116

Índ

ice

CC

DM

heq (µm)

42

De acordo com (Almeida et al., 2015), a parte real da impedância é preferível, pois é

mais sensível aos danos ou mudanças da integridade estrutural e menos sensível às mudanças

de temperatura, quando comparada à parte imaginária.

5 CONCLUSÕES

Atualmente, o uso da técnica da impedância eletromecânica é muito difundido em

diversas áreas. Porém, quando se trata do processo de usinagem por abrasão, não há uma

metodologia bem definida para a realização de ensaios laboratoriais e o único estudo existente

é o trabalho de (Marchi et al., 2015), que aborda a detecção da queima durante o processo de

retificação na presença de diversos fatores que, possivelmente, influenciaram nas medidas. O

presente trabalho apresentou alguns resultados parciais, em que a impedância eletromecânica

foi estudada em ambiente controlado, com a tentativa de isolar as diferentes variáveis que

afetam o processo e analisar individualmente a influência que a espessura equivalente de corte

(heq) possui sobre as medições EMI. O parâmetro heq é de extrema importância para o processo

da retificação e, com o monitoramento do processo utilizando o método EMI, foi possível obter

informações deste parâmetro através da medição indireta utilizando sensores de baixo custo.

Para as condições descritas neste trabalho, os índices CCDM dos sinais obtidos da EMI

calculados na banda de frequência 65-75 kHz apresentaram uma relação direta com a espessura

equivalente de corte dos ensaios de usinagem. Estudos futuros serão realizados, investigando

outras bandas de frequências para as partes real, imaginária e módulo da impedância

eletromecânica. Ainda, outros parâmetros mecânicos serão analisados a fim de serem

relacionados com as medições EMI.


Almeida, V. A. D., Baptista, F. G., & Aguiar, P. R. (2015). Piezoelectric Transducers Assessed

by the Pencil Lead Break for Impedance-Based Structural Health Monitoring. IEEE Sensors

Journal, 15(2), 693–702. https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2352171

Baptista, F. G., & Filho, J. V. (2009). A new impedance measurement system for PZT-based

structural health monitoring. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 58(10),

3602–3608.

Marchi, M., Baptista, F. G., Aguiar, P. R., & Bianchi, C. E. (2015). Grinding process

monitoring based on electromechanical impedance measurements. Measurement Science and

Technology, 26(4).

43

ARQUITETURA ORIENTADA A MICROSERVIÇOS PARA APLICAÇÕES DE

INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL

Jeferson A. Bigheti


Prof. Dr. Eduardo P. Godoy

Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba

RESUMO

A Industria 4.0 (I4.0) é um novo conceito de produção que demanda o uso conjunto de

tecnologias de automação industrial e da informação visando a obtenção de maior eficiência,

qualidade e produtividade. A implementação da I4.0 está atrelada à aplicação de tecnologias

recentes como a Internet da Coisas Industrial (IIoT) e a Computação em Nuvem. Nesse

contexto, o paradigma da automação colaborativa através do uso e compartilhamento de

serviços proporciona uma arquitetura flexível, distribuída e integrada através de redes de

comunicação. Este trabalho foca na proposta de uma arquitetura orientada a serviços (SOA) em

nuvem para aplicações de IIoT. Uma revisão sobre SOA e sua aplicação industrial é

apresentada, bem como sobre a composição de serviços. A arquitetura baseada em

microserviços proposta é discutida, considerando suas características, detalhes operacionais,

vantagens e potencias de aplicação na área de IIoT.

PALAVRAS-CHAVE: Computação em nuvem, Microserviços, SOA, Sistema de controle via

rede.

1 INTRODUÇÃO

As indústrias estão mudando para melhorar seus processos e dessa forma obter uma

maior eficiência e qualidade dentro de menores custos e tempos. As máquinas já se comunicam

entre si e conosco utilizando o conceito da Internet das Coisas (IoT). Expressões como Big

Data, descentralização, virtualização, digitalização e IoT Industrial (IIoT) são conceitos

relacionados à Indústria 4.0, também chamada de Quarta Revolução Industrial, a qual

representa uma evolução dos sistemas produtivos atuais a partir da convergência entre novas

tecnologias de automação industrial e tecnologia da informação (TI) (LU, 2017). Na Industria

4.0 a maioria das tecnologias necessárias para a sua implementação já existem. Entre elas

podem-se citar o protocolo IPV6, os sistemas ciberfísicos (CPS – Cyber Physical System), o

RFID, o uso de virtualização de sistemas e serviços a partir de softwares, a IoT, a Computação

em nuvem (Cloud Computing) e Big Data (ZUEHLKE, 2010; STANKOVIC, 2014, LEE et al.,

2015, HEGAZY & HEFEEDA, 2015).

O grande desafio, portanto, é promover a integração entre essas tecnologias, visando a

obtenção de uma nova realidade produtiva, onde tudo estará conectado para que as melhores

decisões de produção, custo e segurança sejam tomadas, sob demanda e em tempo real. Este

artigo apresenta uma proposta de Arquitetura Orientada a Microserviços (MOA) com o fra-

mework Moleculer para automação de processos com o uso da tecnologia IIoT. O grande

desafio desta abordagem é promover a integração entre as tecnologias da automação com as de

TI, equipamentos e sistemas alocados em diferentes níveis hierárquicos dos sistemas

industriais. Nesse sentido, um paradigma recente tem sido o da automação colaborativa através

do uso e compartilhamento de serviços para obtenção de uma arquitetura flexível, escalável,

interoperável, distribuída e totalmente integrada através de redes industriais (JAMMES et al.,

44

2014). Diante desse contexto, esta pesquisa foca no estudo e o desenvolvimento de uma

arquitetura em nuvem baseada em serviços para aplicações de IIoT.


Soluções baseadas em Ethernet Industrial permitem ao usuário a integração dos

equipamentos industriais à serviços de TI fornecidos por servidores (DECOTIGNIE, 2005).

Dessa forma, tornou-se possível disponibilizar informações provenientes dos sistemas de

automação através de protocolos com suporte ao Ethernet TCP/IP em aplicações Web. Essa

interconexão de dados e infraestruturas de rede de TI e de automação de forma segura e

confiável representa uma tendência para o desenvolvimento de soluções inovadoras e

integradoras na área industrial com a IIoT e a Indústria 4.0 (LU, 2014).

Processos industriais, bem como muitas outras infraestruturas críticas dependem de

sistemas SCADA e SDCD para executar suas funcionalidades complexas. A IIoT é

complementar a esses sistemas, utilizando as informações provenientes dos sistemas SCADA

e SDCD como fontes de dados. Sistemas SCADA tem foco em monitoramento e controle,

enquanto a IIoT busca analisar os dados para aumentar a produtividade e eficiência

(KULKARNI, 2016). Colombo et al. (2014) discutem o conceito de uma arquitetura de

automação baseada no uso da Computação em Nuvem e de serviços (Web Services) para

comunicação e realização das tarefas entre os diferentes componentes e equipamentos de um

sistema industrial. Os autores atestam que arquiteturas orientadas a serviço (SOA) são

consideradas um caminho promissor para concepção do modelo de fábrica do futuro.

No entanto, existe a necessidade e potencial para melhorar as funcionalidades e

minimizar problemas de integração através de abordagens colaborativas de sistemas e serviços

(COLOMBO et al., 2014). Nesse sentido é importante considerar os próximos passos para a

evolução dos sistemas industriais através da IIoT e Industria 4.0, de forma que consigam

atender os desafios recentes como grau de descentralização e independência dos sistemas.

Nesse sentido, a proposta de arquiteturas SOA possui grande potencial, a partir da

disponibilização de serviços em nuvem alocados em diferentes dispositivos, gateways ou

sistemas, os quais facilitam e padronizam as interações entre eles. Leitão et al. (2016)

apresentam um estudo sobre novas arquiteturas SOA para aplicações industriais.


Este artigo apresenta uma nova proposta de arquitetura orientada a microserviços

(MOA) para aplicações de IIoT. A arquitetura usa como base o framework Moleculer e discute

o desenvolvimento de diferentes microserviços para realização de atividades relacionadas à

IIoT. Esta proposta de arquitetura busca suportar as seguintes aplicações relacionadas à IIoT a

partir da criação de serviços de: aquisição de dados (DAQ), monitoramento remoto

(dashboard), otimização (KPIs), controle de processo, identificação de sistemas, detecção de

falhas ou anomalias e mecanismos de redundância. No entanto, a arquitetura pode ser

facilmente expandida, através da criação de novos serviços, para permitir novas aplicações

como virtualização, simulação de sistemas, segurança da informação, realidade aumentada e

análise de dados usando técnicas de Big Data.

O principal componente operacional da arquitetura MOA é o Service Broker, que é o

responsável pela configuração dos nós como: nome, opções de comunicação, registro de

(micro) serviços, descoberta automática de serviços, cache de variáveis, entre outros recursos.

45


A arquitetura MOA proposta oferece os seguintes benefícios de aplicação: 1. Aumento

da resiliência: usando microserviços toda a aplicação é descentralizada e desacoplada em

serviços que atuam como entidades separadas. 2. Escalabilidade: A escalabilidade é um aspecto

chave dos microserviços. Como cada serviço é um componente separado, permite-se expandir

uma única funcionalidade (ação) ou serviço sem ter que dimensionar toda uma aplicação. 3.

Disponibilidade: os serviços críticos para a aplicação podem ser implantados em vários nós ou

servidores para aumentar a disponibilidade e o desempenho de um serviço sem impactar o

desempenho de outros serviços. 4. Flexibilidade de desenvolvimento: usando microserviços, o

desenvolvimento da aplicação não fica limitado a um único software ou linguagem. Dessa

forma, é possível escolher a ferramenta certa para cada tarefa. 5 – Facilidade de

desenvolvimento e modularidade: a criação dos microserviços é mais simples e rápida por

executarem funcionalidades específicas, fornecendo maior modularidade para a aplicação.

5 CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou uma revisão sobre SOA e sua aplicação industrial e discutiu as

características e vantagens de uma proposta de arquitetura orientada a microserviços em nuvem

para aplicações de IIoT. A integração das tecnologias de automação e TI usando uma

arquitetura SOA permitirá o uso e compartilhamento de microserviços para obtenção de uma

arquitetura flexível, escalável, interoperável, distribuída e conectada em rede.

Testes operacionais iniciais da arquitetura já foram realizados com a implementação dos

microserviços de Controle, M2M, Gateway e Supervisão, validando a proposta e demonstrando

seu potencial para aplicações de IIoT. Trabalhos futuros focarão na avaliação do desempenho

dessas aplicações e no desenvolvimento dos outros microserviços propostos.


COLOMBO, A. W, KARNOUSKOS, S. BANGEMANN, T. (2014). Towards the Next

Generation of Industrial Cyber-Physical Systems, In: Bangemann, T. et al. (eds), Ch 1.

Springer International Publishing, Switzerland, pp. 01–22.

DECOTIGNIE, J. D. (2005). Ethernet-based real-time and industrial communications.

Proceedings of the IEEE, v. 93, n. 6, pp. 1102-1117.

HEGAZY, T. AND HEFEEDA, M. (2015). Industrial Automation as a Cloud Service, IEEE

Transactions on Parallel and Distributed Systems, v. 26, n. 10, pp. 2750-2763, Oct. 1.

JAMMES, F., KARNOUSKOS, S., BONY, B., NAPPEY, P., COLOMBO, A. W., DELSING,

J., ELIASSON, J., KYUSA-KOV, R., STLUKA, P., TILLY, M., BANGEMANN, T. (2014),

"Promising Technologies for SOA based Industrial Automation Systems", Industrial Cloud

based Cyber Physical Systems: The IMC AESOP Approach. A. W. Colombo et al. (eds.),

Springer, pp. 89-109.

LEE, J.; BAGHERI, B. AND KAO, H. (2015). A Cyber-Physical Systems architecture for

Industry 4.0-based manufacturing systems”, Manufacturing Letters, v. 3, January 2015, pp.

18-23.

46

UTILIZAÇÃO DE REDES NEURAIS CONVOLUCIONAIS PARA A DETECÇÃO E

CLASSIFICAÇÃO DE PLANTAS DANINHAS

Luiz Carlos Marques Junior




RESUMO

Técnicas de Inteligência Artificial vêm sendo aplicadas em diversas áreas, dentre essas técnicas

destacam-se as Redes Neurais Convolucionais (Convolutional Neural Networks) e entre as

aplicações uma das mais promissoras é na área de agricultura de precisão. Dentre os ramos de

pesquisa da agricultura de precisão, temos a detecção e o correto manejo de plantas daninhas.

Neste trabalho redes neurais convolucionais foram utilizadas para a detecção e classificação de

imagens nas classes de soja, solo, plantas daninhas de folha larga e folha estreita, dessa maneira

possibilitando a correta aplicação de defensivos agrícolas ou extração mecânica das plantas

daninhas.

PALAVRAS-CHAVE: Agricultura de precisão, Inteligência Artificial, Redes Neurais

Convolucionais

1 INTRODUÇÃO

Arquiteturas de aprendizagem profunda têm alcançado resultados expressivos, com alta

precisão para tarefas que vão desde reconhecimento de fala à classificação de imagens. Como

destaque temos os resultados obtidos por Krizhevsky [5] em 2012 no Imagenet Large Scale

Visual Recognition Challenge (ILSVRC) [2]. Desde então Redes Neurais Convolucionais

(Convolutional Neural Networks), têm atingido índices de precisão cada vez maiores, ano após

ano em tarefas que incluem reconhecimento de padrões, classificação e detecção de imagens.

Desta maneira, as Redes Neurais Convolucionais aparecem como uma solução com

grande potencial. O uso de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) associados a telefones

celulares com alta capacidade fotográfica pode produzir informação visual com alto valor

agregado para tomada de decisões. Neste artigo algumas das principais arquiteturas de redes

neurais convolucionais são abordadas, para realizar a classificação de espécies vegetais no

contexto da cultura de soja, mais especificamente propõe-se efetuar a distinção entre a soja,

plantas daninhas de folha larga e estreita e o solo. Assim, por meio desta classificação poder-

se-á executar o trato cultural de maneira (aplicação de defensivos) sustentável e econômica.


Após o aprimoramento genético das culturas agrícolas, a agricultura de precisão, que

envolve o uso de Internet das Coisas (Internet of Things) e outras ferramentas de vanguarda da

Tecnologia da Informação, como aprendizado de máquina (Machine Learning) e Big Data são

consideradas a próxima grande revolução agroindustrial. Neste campo fértil de pesquisas,

diversas são as aplicações de redes neurais convolucionais. Para este trabalho o foco está na

detecção de plantas daninhas, sendo que 3 trabalhos se sobressaem pela sua originalidade e

contribuição para esta área de pesquisa.

47

Dyrmann (2017) [4] apresenta-se como um dos precursores do uso de redes

convolucionais para a detecção de plantas daninhas, em sua dissertação de Phd em 2017 o autor

fez a detecção de diversas espécies de plantas daninhas sob diferentes níveis de iluminação e

sobreposição de folhas, ainda propondo uma arquitetura própria de rede neural convolucional.

Dos Santos Ferreira (2017) [3], em sua dissertação de mestrado fez uso das redes neurais

convolucionais para a classificação entre soja, solo e plantas daninhas de folha larga e folha

estreita. Em sua pesquisa o autor criou um banco de imagens com mais de 15.000, além de ter

realizado a coleta das imagens em RGB com um VANT DJI Phanton3. O trabalho destaca-se

principalmente por ser uma das primeiras pesquisas usando redes convolucionais para a

detecção e classificação de plantas daninhas no Brasil.

Milioto et al (2018) [6], realizou um dos trabalhos mais recentes com redes

convolucionais, o autor faz uso de uma técnica denominada segmentação semântica (Semantic

Segmentation), além de ter feito uso de imagens em RGB, para a detecção de plantas daninhas.

O principal diferencial desta pesquisa foi a capacidade da detecção, classificação e eliminação

das plantas daninhas em tempo real, por meio de uma plataforma denomina Bonirob da

fabricante Bosch. Para este trabalho o banco de imagens criado por dos Santos Ferreira, será

utilizado para treinar e validar diferentes arquiteturas de redes neurais convolucionais.


Visando atingir os objetivos propostos, quatro arquiteturas de redes neurais

convolucionais foram empregadas, para identificar e classificar nas classes planta daninha de

folha larga, planta daninha de folha estreita, solo e soja, a partir de um banco de imagens geradas

por dos Santos Ferreira, que contem imagens de folhas de soja, plantas daninhas e solo. Para

isso diferentes arquiteturas de redes neurais convolucionais que obtiveram resultados

expressivos em competições de classificação de imagens foram utilizadas.

O banco de imagens para o treinamento e validação das arquiteturas de redes neurais foi

produzido por dos Santos Ferreira, em sua dissertação o autor segmentou cerca de 15.336

imagens no formato TIFF, contendo 4 classes cada, sendo 3.249 solo, 7.376 soja, 3.520 plantas

daninhas de folha estreita, 1.191 plantas daninhas de folha larga. Nesta pesquisa para a

comparação e validação das arquiteturas de redes neurais propostas será utilizado este banco de

imagens.

Para realizar os experimentos o banco de imagens original foi reduzido, ao total foram

utilizadas 1.564 imagens divididas igualmente entre as 4 classes para a etapa de treinamento e

400 imagens dividias em 100 imagens por classe para a validação, inicialmente todas as

arquiteturas foram treinadas com o total de 20 épocas e taxa de aprendizagem de 0,0001.


Após o treinamento e validação das arquiteturas, a rede Resnet50 apresentou o pior

resultado com 34,75% de precisão de validação para o conjunto de 100 imagens. Após a

primeira etapa de treinamento 2 redes apresentaram bons resultados, VGG16 cuja menor

precisão foi de 90% para plantas daninhas de folha estreita e Xception, cujo resultado com

menor precisão foi de 79% para solo, em relação a precisão de validação destas redes nesta

primeira etapa a rede VGG16 apresentou uma precisão de validação para o conjunto de 100

imagens de 93,50% e a rede Xception de 91,00%.

Portanto ambas as arquiteturas foram selecionadas para serem treinadas com 40 épocas,

mantendo o tamanho do banco de imagens utilizado e taxa de aprendizagem. Os resultados de

validação são apresentados a seguir na figura 1.

48

Matrizes de Confusão Arquitetura VGG16 e Xception com 40 épocas de treinamento

5 CONCLUSÕES

Assim como na etapa anterior a arquitetura de rede VGG16 apresentou melhores

resultados que a Xception, tendo uma precisão de validação de 96,50% e acertando 100% na

predição da categoria solo contra 79% da Xception. É importante mencionar que para validar a

robustez destas arquiteturas o banco de dados utilizado foi reduzido consideravelmente,

comparado com o trabalho original de dos Santos Ferreira, dessa maneira demonstrando que

mesmo com um conjunto de dados menor resultados expressivos foram alcançados.


[1]CHOLLET, FRONÇOIS. Keras. Github, 2015. Disponível em:<https://github.com/fchollet/keras>. Acesso em:

15 maio 2018.

[2]DENG, J., DONG, W., SOCHER, R., LI, L.-J., LI, K., E FEI-FEI, L. (2009). ImageNet: A Large-Scale

Hierarchical Image Database. CVPR09. 2009.

[3]DOS SANTOS FERREIRA, A.; FREITAS, D.M.; DA SILVA, G.G.; PISTORI, H.; FOLHES, M.T. Weed

detection in soybean crops using ConvNets. Comput. Electron. Agric. 2017, V.143, p.314–324. Out.2017.

[4]DYRMANN MADS. Automatic Detection andClassification of Weed Seedlings under Natural Light.

University of Southern Denmark. Phd Thesis, 2017.

[5]KRIZHEVSKY, A., SUTSKEVER, I., E HINTON, G. E. Imagenet classification with deep convolutional

neural networks. Advances in Neural Information Processing Systems, p 1097–1105. Curran Associates, Inc.

2012.

[6]MILIOTO, A., LOTTES, P., STACHNISS, C. Real-time Semantic Segmentation of Crop and Weed for

Precision Agriculture Robots Leveraging Background Knowledge in CNNs. IEEE Int. Conf. on Robotics &

Automation (ICRA) , 2018.

[7]REN, S., HE, K., GIRSHICK, R., E SUN, J. Faster r-cnn: Towards real-time object detection with region

proposal networks. Advances in Neural Information Processing Systems, V 28, p.91–99. 2015.

[8]SIMONYAN, K. E ZISSERMAN, A. Very deep convolutional networks for large-scale image regognition.

IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR14. 2014

[9]SZEGEDY, C., LIU, W., JIA, Y., SERMANET, P., REED, S., ANGUELOV, D., ERHAN, D., VANHOUCKE,

V., E RABINOVICH, A. Going deeper with convolutions. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern

Recognition (CVPR). 2015.

[10]SZEGEDY, C., IOFFE, S., E VANHOUCKE, V. Inceptionv4, inception-resnet and the impact of residual

connections on learning. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR).2016.

https://github.com/fchollet/keras

49

MONITORAMENTO DA PRODUÇÃO E DA EFICIÊNCIA DE PROCESSOS DE

MANUFATURA USANDO RFID E INTERNET DAS COISAS

Heverton Bacca Sanches


Prof. Dr. Eduardo Paciência Godoy


RESUMO

Uma tendência recente no ambiente industrial tem sido a utilização conjunta da Identificação

por Rádio Frequência (RFID) e a da Internet das Coisas (IoT) na busca da melhoria dos seus

processos de manufatura. É um desafiante promover a integração entre essas tecnologias

permitindo que os dados estejam disponíveis sob demanda e em tempo real para que as

melhores decisões de produção sejam alcançadas. A proposta deste trabalho utiliza o RFID e a

IoT para o desenvolvimento de uma solução para o monitoramento da produção e da eficiência

de um sistema de manufatura flexível (FMS). O desenvolvimento do projeto consiste em três

etapas: aquisição dos dados RFID, processamento para obtenção dos parâmetros de produção e

eficiência requeridos e disponibilização em nuvem para a IoT.

PALAVRAS-CHAVE: RFID, Internet of Things, FMS, Manufatura.

1 INTRODUÇÃO

A Internet das Coisas, atrelada à automação, é uma maneira eficaz de monitorar e

controlar a produção num sistema de manufatura em tempo real. Em um sistema de manufatura

flexível (Flexible Manufacturing System - FMS), os requisitos de produção podem mudar

rapidamente. Sendo assim, informações em tempo real podem otimizar o gerenciamento das

operações e resolver os problemas operacionais de forma antecipada, minimizando a ocorrência

de erros ou desvios no objeto da manufatura (NGAI et al., 2012). Lu et al. (2006) usam um

sistema de RFID para identificar os insumos do sistema de manufatura, e assim planejar a

produção, operação e qualidade do produto final. Ngai et al. (2012) mensuram a produtividade

dos empregados de uma empresa têxtil com a implementação de um processo de manufatura

baseado em RFID.

2 METODOLOGIA

Este projeto visa desenvolver um sistema que integre as tecnologias de RFID e IoT para

monitoramento da produção e da eficiência de um sistema de manufatura flexível. A proposta

de desenvolvimento do projeto pode ser resumida em três etapas: aquisição dos dados RFID,

processamento dos mesmos para obtenção dos parâmetros de produção e eficiência requeridos

do processo de manufatura e disponibilização dos dados em nuvem para a IoT.

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU DISCUSSÕES

A essência da IoT é o princípio básico da I4.0 (Industria 4.0) para proporcionar

autonomia e colaboração para os sistemas de manufatura por meio da comunicação entre

máquinas e sistemas. Desta forma, uma fábrica inteligente pode criar redes colaborativas que

se comunicam e controlam umas às outras de forma descentralizada (ZUEHLKE, 2010). Neste

50

cenário as máquinas e produtos se comunicam para identificar as operações a serem executados

durante o processo de manufatura, principalmente com o uso do RFID.

Na I4.0 as máquinas são conectadas de forma colaborativa, demandando a utilização de

novas tecnologias que possam analisar dados sistematicamente e transformá-los em

informações. Portanto, a I4.0 necessita utilizar os recursos e serviços baseados na IoT

suportados por uma infraestrutura de Computação em Nuvem para atender os requisitos e

demandas relacionados a este novo conceito de fábrica inteligente (KANG et al., 2016).


O uso proposto neste projeto para a tecnologia RFID, para o monitoramento do tempo

de produção e de transporte de peças e da eficiência de um sistema flexível de manufatura

(FMS), através de etiquetas fixadas em pallets de movimentação da esteira, se diferencia da

tradicional aplicação do RFID para identificação e demonstra a flexibilidade de uso e potencial

de inovação/aplicação dessa tecnologia em sistemas de manufatura. O uso do RFID se mostrou

eficiente e adequado, permitindo a leitura e identificação das etiquetas alocadas nos pallets e

peças do FMS, de forma confiável e na velocidade requerida, e viabilizando o cálculo do tempo

de produção da peça na estação analisada.


KANG, H. ; LE, M. ; TAO, S. (2016). Container and Microservice Driven Design for Cloud

Infrastructure DevOps. 2016 IEEE International Conference on Cloud Engineering (IC2E).

NGAI, E.W.T.; CHAU, D.C.K.; POON, J.K.L.; CHAN, A.Y.M.; CHAN, B.C.M.; WU,

W.W.S. (2012). Implementing an RFID-based manufacturing process management

system: Lessons learned and success factors, Journal of Engineering and Technology

Management, Volume 29, Issue 1, January–March 2012, Pages 112130.

ZUEHLKE, D. (2010). Smart Factory—Towards a factory-of-things, Annual Reviews in

Control, Volume 34, Issue 1, April 2010, Pages 129-138.

51

UM MODELO PARA A APLICAÇÃO DA INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL

Israel V. Ferreira

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba

Prof. Dr. Eduardo P. Godoy


RESUMO

A Indústria 4.0 é um novo conceito que representa uma evolução dos sistemas produtivos atuais

a partir da convergência entre novas tecnologias de automação industrial e tecnologia da

informação. Nesse contexto, a Internet das Coisas Industrial (IIoT) se destaca pela evolução na

comunicação entre sistemas e equipamentos, disponibilizando para os usuários diversas

informações úteis para o gerenciamento e aperfeiçoamento dos sistemas de produção. Este

trabalho apresenta uma proposta e descreve os primeiros resultados de um modelo para

aplicação da IIoT, usando soluções de código aberto (open source).

PALAVRAS-CHAVE: Industria 4.0, Internet das Coisas, Sistemas Embarcados.

1 INTRODUÇÃO

A Indústria 4.0, também chamada de Quarta Revolução Industrial, é um novo conceito

que representa uma evolução dos sistemas produtivos atuais a partir da convergência entre

novas tecnologias de automação industrial e tecnologia da informação (TI)

(WOLLSCHLAEGER et al., 2017).

Uma das tecnologias base para este conceito é a Internet das Coisas (IoT)

(STANKOVIC, 2014). A IoT contempla a conexão lógica de todos os dispositivos e meios

relacionados ao ambiente produtivo em questão como os sensores, controladores,

computadores, células de produção, sistema de planejamento produtivo, sendo todas as

informações compartilhadas através de bancos de dados.

Diante desse contexto, esta proposta objetiva criar um modelo, através da integração de

hardware e software, para aplicação da IoT industrial.


O modelo proposto é fundamentado numa arquitetura de IoT baseada em gateway e

numa estrutura de camadas e protocolos apresentada por Weirich e Ebert (2016).

Figura 5 - Estrutura de Camadas e Protocolos para IoT (Wierich e Ebert, 2016).

O modelo proposto é composto de dispositivos capazes de se comunicar utilizando

protocolos padronizados, monitorar e controlar uma planta industrial. Os protocolos de

52

comunicação definidos para aplicação, foram o Modbus TCP/IP, o MQTT, o CoAP e

protocolos da Internet como TCP/IP e HTTP.


Figura 6 - Modelo proposto para a aplicação da IIoT.

Os dispositivos que compõe o modelo proposto para aplicação da IIoT são o módulo

gateway e os módulos remotos. O módulo central não foi desenvolvido nesse trabalho.

Uma Raspberry PI 3 foi utilizada como módulo gateway, devido ao fato de já possuir

WiFi de forma nativa, eliminando a necessidade de um roteador. Configurou-se a Raspberry PI

3, rodando uma distribuição personalizada do Linux chamada Raspbian (baseada no Debian),

para funcionar como ponto de acesso WiFi. Deste modo, os módulos remotos podem se

conectar a ela diretamente via WiFi, possibilitando a troca de informações entre os módulos,

através de um dos protocolos suportados (Modbus TCP/IP, MQTT ou CoAP).

Foi desenvolvido um software em Node JS para ser executado no módulo gateway, com

a finalidade de aquisição de dados dos dispositivos remotos, armazenamento destes dados em

um banco de dados e distribuição destes dados através de uma API REST HTTP. Juntamente o

software desenvolvido nesse projeto, este módulo hospeda o servidor do OpenPLC, um

software livre que possibilita a programação de módulos (remotos) em linguagens de

programação de CLP padronizadas pela IEC-61131-3, através do PLCOpen Editor. A

programação é enviada ao sistema através de um upload feito em uma página web, hospedada

e provida pelo próprio sistema embarcado.

Para os módulos remotos foram utilizadas placas ESP8266 modelo NodeMCU. Foi

utilizada a IDE do Arduino para programação das placas ESP8266.


A comunicação entre os módulos remotos e o módulo gateway foi testada. Os estados

das portas de I/O foram requisitados pela aplicação desenvolvida em Node.js e armazenados no

banco de dados MySQL. Comparou-se o uso de recursos do sistema em diversas situações de

operação e com isso foi possível encontrar os limites de operação do módulo gateway.

Em um primeiro experimento o módulo gateway foi configurado para executar a

requisição dos dados dos módulos remotos a cada segundo. Foi adicionada uma nova conexão

com um módulo remoto a cada 100 segundos, enquanto o uso de recursos do sistema

(processamento e memória utilizada) era monitorado através de uma rota da API REST por um

53

programa desenvolvido no software LabView da National Instruments. Os dados obtidos foram

exportados para uma planilha e o gráfico da Figura 7 a) foi gerado a partir desses dados. Um

segundo experimento foi realizado com o período entre cada requisição aos módulos remotos

aumentado de 1 para 10 segundos. Os dados obtidos estão exibidos no gráfico da Figura 7 b).

Figura 7 - Uso de recursos do sistema para módulos remotos com

período de atualização de 1s em a) e 10s em b).

Com requisições a cada segundo sendo enviadas aos módulos remotos para obtenção

dos dados, o gateway suportou três módulos remotos conectados simultaneamente. Quando o

período entre cada requisição aos módulos remotos foi aumentado para dez segundos, o

gateway suportou 25 módulos remotos simultâneos antes de apresentar problemas. O problema

apresentado nos dois casos foi de incapacidade de acesso ao banco de dados para inserção de

novos valores.

5 CONCLUSÃO

Este trabalho apresentou e descreveu o desenvolvimento de uma proposta de modelo

para aplicação da Internet das Coisas Industrial. O modelo para aplicação da IIoT é

fundamentado numa arquitetura de camadas de dispositivos e protocolos aderentes aos

requisitos da aplicação da IoT no meio industrial. O diferencial do modelo é a grande integração

entre as tecnologias de informática e automação, de forma que são permitidas não somente

funcionalidades de aquisição e análise dos dados industriais, mas também a programação e

supervisão dos processos de acordo com padrões industriais (IEC 61131-3).

Os resultados apresentados validam esta proposta e demonstram o potencial do modelo

para a IIoT apresentado. O software desenvolvido para este projeto, juntamente com o

OpenPLC, não apresentou problemas de execução no hardware embarcado e a comunicação

implementada entre os módulos remotos e o gateway se mostrou eficiente e confiável dentro

dos limites de operação do dispositivo.


STANKOVIC, J.A., Research Directions for the Internet of Things, in Internet of Things

Journal, IEEE, vol.1, no.1, pp.3-9, Feb. 2014.

WEYRICH, M.; EBERT, C. Reference Architectures for the Internet of Things, in IEEE

Software, vol. 33, no. 1, pp. 112-116, Jan.-Feb. 2016.

WOLLSCHLAEGER, M.; SAUTER, T.; JASPERNEITE, J. The Future of Industrial

Communication: Automation Networks in the Era of the Internet of Things and Industry

4.0, IEEE Industrial Electronics Magazine, vol.11, pp.17-27, 2017.

54

APLICAÇÃO DO LQR NO CONTROLE DE POSIÇÃO DE UM ESTRUTURA

FLEXÍVEL GIRANTE

David C. Andrade




RESUMO

O presente trabalho, apresentado no VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica

da UNESP Campus Bauru, tem por objetivo apresentar os resultados da aplicação do LQR no

controle de posição de uma estrutura flexível girante. A modelagem utilizada foi referenciada

do trabalho de Janzen et al.(2015), que por sua vez aplicou a técnica de controle ótimo não-

linear SDRE. Os resultados bem como as limitações da abordagem proposta são discutidos ao

longo do trabalho.

PALAVRAS-CHAVE: Controle ótimo, estruturas flexíveis, LQR.

1 INTRODUÇÃO

O uso de ligas flexíveis em sistemas robóticos e estruturas aeroespaciais têm sido

explorado devido às características vantajosas do material. Neste sentido, destacam-se o custo

efetivo do lançamento, baixo consumo de energia e baixo consumo de material, reduzindo,

consequentemente, a massa e a rigidez. A principal desvantagem desse material é o aumento

da amplitude da vibração e a redução da destreza em comparação com os materiais não flexíveis

(JANZEN et al., 2015).

A aplicação de Ligas com Memória de Forma (SMA) pode reduzir a intensidade das

vibrações causadas pela flexibilidade do material. Compostos híbridos de memória de forma

apresentam características favoráveis ao controle da estrutura como a modificação modal ativa

e alto amortecimento (JANZEN et al., 2015).


De acordo com Tokhi e Azad (1996), dois fatores que dificultam o controle de estruturas

flexíveis são: o controle de torque, que só pode ser aplicado nos nós do sistema e o número

limitado de sensores que podem ser aplicados a este tipo de estrutura.

Alguns trabalhos têm sido desenvolvidos com o intuito de suprimir as vibrações em

estruturas flexíveis, reduzindo os efeitos negativos da flexibilidade nos sistemas de controle.

Garcia e Inman (1990) propõe o controle ativo das vibrações aplicando atuadores piezoelétricos

na estrutura. Esses tipos de atuadores são denominados atuadores inteligentes.

Outros tipos de materiais inteligentes aplicados são os fluídos eletro reológicos e

magneto reológicos e as Ligas com Memória de Forma (Sohn et al., 2009).

De acordo com Wei et al. (1998), o atuador SMA tem um alto coeficiente de

amortecimento e muda os modos de vibração naturais das estruturas onde eles são acoplados.

Várias técnicas de controle têm sido aplicadas com o SMA, como o PID e suas variações

apresentado por Ge et al. (2006), e controladores não-lineares (ELAHINIA, 2004; JANZEN,

2016).

55


Neste trabalho, será realizada uma abordagem com a linearização do sistema

apresentado em Janzen et al.(2015) e Janzen et al.(2015). A técnica de controle ótimo não linear

SDRE (State Dependent Ricatti Equation) é substituída pela técnica de controle ótimo linear

LQR.

O projeto de um Regulador Quadrático Linear (LQR) tem como característica principal

a minimização de um índice de desempenho quadrático, sujeito a satisfação da modelagem de

um sistema de equações linearizado. O que representa a aplicação mais fundamental do

princípio mínimo de Pontryagin para sistemas dinâmicos lineares, e pode ser visto como um

pilar da teoria de controle de sistemas dinâmicos (JUNKINS, 1993).


Em Janzen et al.(2015) as condições iniciais para a simulação são 1 0x ,

2 0x , 3 0x ,

4 0x e 5 0x . No entanto, com as mesmas condições iniciais, não é possível atender ao critério

de controlabilidade apresentado em Erro! Fonte de referência não encontrada., para tanto o

valor a condição inicial do estado 3x foi alterada para

3 2x possibilitando a aplicação do LQR.

Os estados desejados x

e as matrizes Q e R foram extraídas de [1].

* 4

1 0 0 0 00

0 1 0 0 01

, 10 10 0 1 0 00

0 0 0 1 00

0 0 0 0 1

x Q e R

(1)

Os resultados da simulação são demonstrados na sequência. A Fig. 1. apresenta o

comportamento da corrente de armadura do motor CC acoplado mecanicamente a haste.

Fig. 1. Corrente da armadura do motor CC.

Conforme Fig. 2, a haste alcança o estado desejado da posição angular com cerca de 7s,

em [1] o mesmo resultado foi obtido com cerca se 6s.

56

Fig. 2. Posição angular da haste.

A velocidade angular da haste durante a simulação é ilustrada na Fig. 3. O estado atinge

o máximo de 0,55 rad/s em 0,95s e decresce até a estabilização da posição da haste.

Fig. 3. Velocidade angular da haste.

A amplitude do primeiro modo de vibração está ilustrada na Fig. 4. A haste atinge o

deslocamento máximo de 3,2cm no momento mais crítico de vibração.

Fig. 4. Amplitude do primeiro modo de vibração.

Fig. 5 ilustra a velocidade do primeiro modo de vibração que tem maior amplitude no

57

início da simulação e tende a zero no regime permanente do sistema.

Fig. 5. Velocidade do primeiro modo de vibração.

5 CONCLUSÕES

Em complemento aos trabalhos de referência onde o controlador ótimo não linear SDRE

foi aplicado no controle de posição de uma estrutura flexível girante. No trabalho apresentado

o modelo foi linearizado para possibilitar a aplicação do LQR que também trabalha com a

minimização da função custo.

Os resultados obtidos se assemelham aos apresentados na bibliografia referenciada.

Além da técnica de controle, a diferença entre as respostas do sistema também está relacionada

com a linearização do modelo. Contudo, a estratégia apresentada se restringe a uma faixa de

operação do modelo não linear.


ELAHINIA, M. Effect of system dynamics on shape memory alloy behavior and control. 2004.

GARCIA, E.; INMAN, D.J. Advantages of slewing and active structure. JOURNAL OF INTELLIGENT

MATERIAL SYSTEMS AND STRUCTURES, 1(3):261-272. 1990.

GE, S.S. et al. Tracking and vibration control of flexible robots using shape memory alloys. IEEE/ASME

TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, 11(6):690-698. 2006.

JANZEN, F.C.; TUSSET, A.M.; PICCIRILLO, V.; BALTHAZAR, J.M.; BRASIL, R. Motion and vibration

control of a slewing flexible strucuture by SMA actuators and parameter sensivity analysis. THE EUROPEAN

PHYSICAL JOURNAL SPECIAL TOPICS, v. 224, p. 3041-3054, 2015.

JANZEN, F.C. Positioning and vibration control of a flexible structure in slewing motion by applying Shape

Memory Alloys. 2016. 82p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica). UNESP, 2016.

JUNKINS, J.L. Introduction to dynamics and control of flexible structures. AIAA, 1993.

SOHN, J. et al. Vibration and position tracking control of a flexible beam using SMA wire actuators. JOURNAL

OF VIBRATION AND CONTROL. 15(2):263–281. 2009.

TOKHI, M.; AZAD, A. Collocated and non-collocated feedback control of flexible manipulator systems.

MACHINE VIBRATION, 5(3):170–178. 1996.

WEI, Z. et al. Shape-memory materials and hybrid composites for smart systems: Part i shape-memory materials.

JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE. 33(15):3743–3762. 1998.

58

ANALISE DINÂMICA DE UM SISTEMA MICRO CANTILEVER

Dailhane Grabowski Bassinello




RESUMO

Neste trabalho é realizada a análise dinâmica de um sistema micro eletromecânico MEMS do

tipo micro cantilever, com um grau de liberdade. Diferentes não linearidades em ressonadores

micro eletromecânicos levam a vários comportamentos não lineares, como o movimento

caótico, que podem afetar o funcionamento e desempenho do ressonador. Este sistema

considera uma placa fixas e uma placa móvel a qual é aplicada uma tensão V (t), tais placas

têm as funções de fornecer eletrodos para formar um capacitor e armazenar energia elétrica, e

de fornecer elasticidade ou rigidez mecânica. Os resultados são obtidos através de simulações

numéricas, sendo possível observar que para uma determinada faixa de parâmetros utilizados o

sistema apresenta um comportamento indesejável. A dependência térmica das características

do material é um importante fenômeno que afeta o movimento de sistemas micro ressonantes.

Amortecimento afeta fortemente a dinâmica, controle, desempenho e design do sistema micro

eletromecânico. A influência do amortecimento na dinâmica dos sistemas micro

eletromecânicos depende de suas condições de projeto e operação.

PALAVRAS-CHAVE: Não linear. Micro Cantilever. Analise Dinâmica. Não Linear.

1 INTRODUÇÃO

Sistemas micro eletromecânicos muitas vezes podem apresentar comportamento não

linear como o comportamento caótico, que podem afetar fortemente o funcionamento e o

desempenho do ressonador. Este trabalho tem como objeto analisar a dinâmica de um

ressonador micro eletromecânico com auxílio do software MATLAB ® para demonstrar o

comportamento não linear do sistema micro eletromecânico.

2 ESTADO DA ARTE

Os sistemas micro eletromecânicos são tipicamente sistemas transdutores que detectam

ou controlam grandezas físicas, ópticas ou químicas, como aceleração, radiação ou fluidos

Fischer et al. (2015). Os dispositivos de ressonância micro atuam como um capacitor paralelo,

no qual um eletrodo é fixo e outro é móvel. Eles são ativados eletricamente e seu movimento

pode ser detectado por mudanças capacitivas. Esse movimento do eletrodo móvel pode ser

convertido em um sinal elétrico na capacitância, que está relacionado à quantidade física a ser

medida Younis e Nayfeh (2003) e Tusset et. al. (2012).

Em sistemas micro eletromecânicos (MEMS), não-linearidades podem surgir de uma

variedade de fontes, como mecanismos de mola e amortecimento, e elementos de circuito

resistivos, indutivos e capacitivos Jazar et. al. (2009). Em várias aplicações de micro

ressonador, um comportamento não linear ou caótico pode ser indesejável, levando à falha do

dispositivo. Uma região não linear de detecção de micro ressonadores torna-se mais importante

para sistemas de projeto e desempenho Jazar et al. (2006).

59

3 MICRO CANTILEVER

O ressonador micro cantilever é acionado por meio de uma tensão aplicada, como pode

ser visto na figura 1. Na placa fixa do ressonador é aplicada uma tensão de corrente alternada

𝑉𝑖 sin(𝑤𝑡). A outra placa é móvel e tem uma massa 𝑚, à esta placa é aplicada a tensão DC 𝑉𝑝,

o suporte da placa é considerado como uma mola não linear em paralelo a um amortecedor. A

distância entre as placas 𝑑 é medida quando nenhuma tensão é aplicada e a frequência é zero.

Embora a estrutura flexível tenha muitos modos de vibrar, neste trabalho será

considerado o modelo com um grau de liberdade denotado por (𝑦), o movimento lateral da

placa móvel de massa (𝑚).

Figura 1: Ressonador micro cantilever MEMS (Jazar at. al. 2009).

A equação governante do movimento das placas é dada por:

𝑚 = −𝐹𝑘 − 𝐹𝑐 + 𝐹𝑒 . (1)

Onde, 𝐹𝑘 é a força conservativa da mola, 𝐹𝑐 amortecimento termo elástico e 𝐹𝑒 a força elétrica.

Realizando as substituições de 𝐹𝑒 na equação do movimento é possível reescrever a

equação em variáveis de estados:

1 = 𝑦2.

2 = −𝛼1𝑦1 − 𝛼3𝑦13 − 𝑏𝑦2 + 𝛽𝑉2

1

2(𝑑 − 𝑦1)2.

(2)

4 ANELISE DINÂMICA

Figura 2: Histórico deslocamento no tempo e o retrato de fase.

60

O modelo micro cantilever foi acionado eletricamente, seu comportamento dinâmico é

regido por uma ODE altamente não linear. Usando a equação do movimento, equilíbrios e

estabilidade podem ser investigados. A tensão de polarização é o parâmetro físico mais

importante sem controle de estabilidade. Por meio de integrações numéricas realizadas com o

auxílio do software MATLAB ®, é possível demonstrar o comportamento não linear do sistema

micro eletromecânico.

5 CONCLUSÕES

Neste trabalho foi realizada a modelagem matemática, analise do comportamento

dinâmico, simulações numéricas de um micro cantilever MEMS. Através das simulações

numéricas foi possível demonstrar o comportamento dinâmico de um sistema micro

eletromecânico com comportamento não linear, ainda não é possível comprovar a existência de

caos no sistema, para isso será necessário a aplicação de técnicas como a análise do expoente

de lyapunov ou teste 0 – 1 que serão aplicados dando continuidade ao trabalho. Também se faz

necessário a aplicação de uma técnica de controle para que o dispositivo possa operar

corretamente evitando danos ao equipamento.


FISCHER A. C., FORSBERG F., LAPISA M., BLEIKER S. J., STEMME G., ROXHED N.,

NIKLAUS F. Integrating MEMS and ICs. Microsystems & Nanoengineering.1, 15005,

doi:10.1038/micronano.2015.5.

JAZAR, G. NAKHAIE. Mathematical modeling and simulation of thermal effects in flexural

microcantilever resonator dynamics. Journal of Vibration and Control, v. 12, n. 2, p. 139-

163, 2006.

JAZAR, R. N., MAHINFALAH, M., MAHMOUDIAN, N., & RASTGAAR, M. A.. Effects of

nonlinearities on the steady state dynamic behavior of electric actuated microcantilever-based

resonators. Journal of Vibration and Control, 15(9), 2009 p. 1283-1306.

YOUNIS, M.I., NAYFEH, A.H. A Study of the Nonlinear Response of a Resonant Microbeam

to an Electric Actuation. Nonlinear Dynamics. 31: 91.doi.org/10.1023/A:1022103118330.

2003.

TUSSET, A.M., BALTHAZAR, J.M., BASSINELLO, D.G., PONTES JR., B.R. AND FELIX,

J. L. P. Statements on chaos control designs, including a fractional order dynamical system,

applied to a MEMS comb-drive actuator. Nonlinear Dynamics 69: 1837-1847, 2012.

61

DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO HIPERCAÓTICO

Hilson Henrique Daum




Prof. Dr. Ângelo Marcelo Tusset

Coorientador – Depto. de Engenharia Eletrônica – UTFPR – Ponta Grossa

RESUMO

Os sistemas caóticos e hipercaóticos são considerados sistemas que evoluem com o tempo. O

estudo destes sistemas tem ganho espaço nas mais diversas áreas, tais como: telecomunicações,

mercado financeiro, meteorologia entre outros.

O presente trabalho tem como objetivo, exibir uma pesquisa sobre a utilização de controladores

não lineares e sincronização em sistemas hipercaóticos, sendo considerado tanto simulações

numéricas como a implementação de um circuito eletrônico para o estudo da dinâmica e

controle.

PALAVRAS-CHAVE: circuito hipercaótico, amplificadores operacionais, dinâmica não

linear

1 INTRODUÇÃO

Na área de telecomunicação existe um interesse muito grande na pesquisa em

osciladores caóticos e sincronização de ambos, a sincronização pode ocorrer de forma

espontânea ou de forma induzida, a primeira pode ser exemplificada quando milhões de

neurônios enviam, ao mesmo tempo, sinais para controlar a respiração e os batimentos

cardíacos. A sincronização induzida utiliza-se técnicas de controle avançada para induzir a

sincronização dos osciladores.

Em 2010 Wiesław M. Macek, aplicou a técnica magnetohydrodynamic e obteve um

conjunto de quatro equações diferenciais ordinárias, o método usual de Lorenz é tridimensional,

dessa forma a nova varável descreve o perfil do campo magnético induzido. (WIESłAW M.

MACEK, 2010)

A teoria do caos pode ser exemplificada de maneira simplificada através do experimento

conhecido como roda d’agua de Lorenz o qual mostra o processo sendo realimentado tende a

girar em uma determinada direção, porém o aumento da força motriz tumultua o movimento e

em certas condições acaba invertendo o sentido de rotação. Dentro deste contexto, verifica-se

que que o experimento ultrapassa os raciocínios usuais, e mostra a necessidade de ampliar as

considerações para concluir as possibilidades de Caos. (KATZ, 2010)


Os sistemas caóticos e hipercaóticos são considerados como sistemas que evoluem com

o tempo. O expoente característico de Lyapunov (ECL) é uma das medidas mais utilizadas e

comum para classificar a natureza complexa das soluções das equações diferencias, fornece a

expressão geral do conceito de autovalores característicos de um atrator. Se um ECL é positivo

o sistema apresenta divergências com as condições iniciais e sua previsibilidade futura é

62

profundamente afetada, razão pela qual a solução da evolução apresentada chama-se caótica,

no entanto dois ECL’s são positivos o sistema denomina-se hipercaótico (ABREGO e

MOIOLA, 2013).

Macek e Strumik em 2010, utilizando as equações tridimensionais de Lorenz,

conseguiram construir um sistema quadridimensional hipercaótico representado pela equação1

(MACEK e STRUMIK, 2010).

𝑥′ = 𝑎(𝑦 − 𝑥) − 𝑘1w

𝑦′ = 𝑏𝑥 − 𝑦 − 𝑥𝑧

𝑧′ = 𝑥𝑦 − 𝑐𝑧

𝑤′ = 𝑘1𝑥 + 𝑘2w

(1)

Com a evolução dos componentes eletrônicos, atualmente, é possível elaborar circuitos

eletrônicos e realizar a modelagem matemática precisa próximo do real. Alguns pesquisadores

utilizaram essa técnica para gerar comportamento caótico utilizando a eletrônica analógica.

Utilizando amplificadores operacionais, associados a capacitores e resistores, é possível

realizar algumas operações matemáticas, tais como soma, subtração, integração e derivação. As

combinações destas operações geram funções específicas que podem ser utilizadas para

representar equações diferenciais das quais é possível observar o comportamento caótico.

O amplificador somador inversor, mostrado na figura 1A é uma maneira de somar

algebricamente as n tensões de entrada multiplicada pelo fator de ganho. O amplificador

subtrator é igual a diferença entre os sinais de entrada multiplicado pelo ganho do amplificador.

Na figura 1E é apresentado o amplificador somador não inversor, a configuração do circuito é

parecida com a da figura 1A, porém a entrada do sinal é pela porta positiva, essa configuração

permite a não inversão do sinal de saída (WENDLING, 2010).

As operações de integração podem ser realizadas utilizando o amplificador integrador.

A tensão de saída cresce sobre um período de tempo proporcionalmente à sua entrada formando

uma rampa, a figura 1C apresenta a configuração do circuito. Para realizar operações

derivativas utiliza-se o amplificador diferenciador, com ele é possível produzir uma tensão de

saída proporcional à inclinação da função da tensão de entrada (WENDLING, 2010).

Figura 8: Operações algébricas utilizando amplificadores operacionais

63


Dentro da metodologia apresentada o presente trabalho de pesquisa, é desenvolvido uma

pesquisa exploratória com o objetivo de estudar o comportamento da dinâmica e controle de

sistema hipercaótico.

Para a aplicação dos métodos qualitativos e quantitativos, é necessária implementação

de um circuito analógico com comportamento hipercaótico e aplicar técnicas de controle

avançadas.

Na figura 2 é apresentado um resultado preliminar do circuito eletrônico que representa

a equação 1, utilizando os operadores matemáticos mostrados na figura 1. Para a montagem do

circuito analógico foi utilizado o software Proteus.

Figura 1 - Resultado preliminar

Na figura 2 pode-se observar um diagrama de fase para o sistema 1 considerando X

versos W.

4 CONCLUSÕES

Neste trabalho foram apresentados resultados preliminares da montagem de um circuito

analógico representativo do modelo de Macek e Strumik (2010), considerando teorias

fundamentadas nas bibliografias citadas.


ABREGO, F. J.; MOIOLA, J. L. Lyapunov Exponent Analysis Applied to a Hyperchaotic Prey-

predator Model. IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, v. 11, 2013.

KATZ, F. J. Contribuições Metodológicas Da Teoria Do Caos. UNICAMP, 2010.

MACEK, W. M.; STRUMIK, M. Model for hydromagnetic convection in a magnetized fluid.

Phys. Rev. E., v. 82, p. 027301, 2010.

WENDLING, M. Amplificadores Operacionais. Universidade Estadual Paulista.

Guaratinguetá. 2010.

64

CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES PZTs DE BAIXO CUSTO PARA

APLICAÇÕES DE ENERGY HARVESTING

Paulo Afonso Ferreira Junior


Prof. Dr. Fernando de Souza Campos


RESUMO

O conceito de Energy Harvesting consiste em utilizar transdutores para obter energia elétrica a

partir de diferentes fontes de energia como térmica, eletromagnética e vibracional. Dentre as

diversas fontes a obtenção de energia elétrica a partir de energia mecânica vibracional é uma

das formas que mais tem recebido atenção. O Cantilever é o principal sistema implementado

em estudos de obtenção de energia elétrica partir de vibrações utilizando transdutores

piezelétricos. Diversos tipos de materiais têm sido utilizados na fabricação de sensores

piezelétricos para otimizar a geração de energia. Entretanto tais sensores ainda não estão

disponíveis comercialmente e/ou são de difícil acesso para aquisição e utilização. Neste

trabalho propõe-se a caracterização de sensores piezelétricos de baixo custo para aplicações de

Energy Harvesting. A estrutura mais utilizada em estudos de geração de energia elétrica a partir

de energia vibracional utilizando sensores piezelétricos é o Cantilever. Foram caracterizados

PZTs circulares de três diferentes diâmetros: 3,4cm, 2,6cm e 1,5cm. A curva de máxima

transferência de potência medida mostra máxima transferência de potência para carga resistiva

de 82kΏ gerando 40uW, 14uW e 1,4W com frequência de vibração aproximada de 7Hz e

aceleração de 1,3g (g-aceleração da gravidade). Além disso, na condição de máxima

transferência de potência as tensões eficazes medidas foram 1,8V, 1,0V e 0,34V.

PALAVRAS-CHAVE: Energy Harvesting, piezeletricidade, transdutor, energia elétrica,

energia mecânica, vibração.

1 INTRODUÇÃO

Atualmente diversas aplicações como rede de sensores sem fio, eletrônica embutida em

roupas e dispositivos biomédicos como marcapassos requer alto grau de integração eletrônica

e baixo consumo de potência. Uma forma de aumentar a vida útil desses dispositivos eletrônicos

sem a troca de bateria é utilizar transdutores que geram energia elétrica a partir de outras fontes

de energia presentes no meio como energia térmica, eletromagnética e mecânica (vibracional e

acústica). Esta técnica é conhecida como Energy Harvesting ou colheita de energia. Uma das

principais formas de gerar energia elétrica é a colheita de energia piezelétrica, que usa uma

conversão de energia direta de vibrações e deformação mecânica para a elétrica energia. Esta

fonte tem se mostrado promissora na geração de energia elétrica em dispositivos eletrônicos

como nós sensores, dispositivos microeletrônicos devido a maior eficiência de conversão de

energia e a utilização de estrutura simples (Kang, 2016; Li, 2015 e Zhang, 2016).

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A estrutura mais utilizada em estudos de geração de energia elétrica a partir de energia

vibracional utilizando sensores piezelétricos é o Cantilever. O Cantilever consiste numa barra

engastada com um sensor piezelétrico colado próximo sua base engastada e uma massa de prova

65

pressa em sua extremidade livre (Fig. 1). A barra submetida à uma força mecânica oscilatória

vibra em determinada frequência provocando a deformação da barra e do sensor piezelétrico

gerando energia elétrica.

Figura 1: Estrutura Cantilever

Fonte: Adaptado de Kang, 2016.

3 METODOLOGIA

A vibração da barra utilizada nos experimentos foi obtida por um motor excêntrico preso

na parte inferior da extremidade livre da barra. O diafragma piezelétrico (PZT) foi acoplado

próximo ao ponto de engastamento por meio de uma cola de cianoacrilato. Um acelerômetro

foi acoplado na parte superior da massa de prova para medir a aceleração e a energia mecânica

do sistema. O sinal elétrico gerado pelo PZT foi medido com carga resistiva utilizando-se um

sistema de aquisição de dados (LabView). A frequência de vibração da barra foi obtida por meio

do aumento da tensão do motor.


Para todos os três PZTs de diferentes encontrou-se que a máxima transferência de

potência ocorre para carga resistiva de 82kΏ conforme mostra a Fig. 2. A máxima potência

gerada na carga para os três PZTs foram 40uW, 14uW e 1,4 na frequência de vibração

aproximada de 7Hz e aceleração de 1,3g (g-aceleração da gravidade). Na condição de máxima

transferência de potência as tensões eficazes obtidas foram 1,8V, 1,0V e 0,34V. O rendimento

do menor do que 1% em todos os casos. Consideramos que o baixo rendimento obtido é devido

fato de que em nosso experimento inicial a barra Cantilever não opera na frequência de

ressonância.

Figura 2: Curva de máxima transferência de potência

(a) PZT grande (b) PZT médio e (c) PZT pequeno

(a)

Fixo Lâmina de metal

Cerâmica Piezelétrica Massa de prova

66

(b)

(c)

5 CONCLUSÃO

Os resultados obtidos mostram que o PZT comercial caracterizado pode ser utilizado

em aplicações de colheita de energia para alimentação de circuitos eletrônicos de baixa

potência. Entretanto estes resultados ainda são preliminares uma vez que a pesquisa está em

estágio inicial. A aparato de medida está sendo preparado para acionar a barra cantilever na

frequência de ressonância na qual obtém-se a máxima deformação e, portanto, a máxima

geração de energia elétrica para comparação adequada com outros sensores piezelétricos

utilizados na literatura.


KANG, M.-G.; JUNG, W.-S.; KANG, C.-Y.; YOON, S.-J. “Recent Progress on PZT Based

Piezoelectric Energy Harvesting Technologies”, Actuators, vol. 5, 2016,

(https://doi.org/10.3390/act5010005)

LI, P.; LIU, Y.; WANG, Y.; LUO, C.; LI, G.; HU, J.; LIU, W.; ZHANG, W. “Low-frequency

and wideband vibration energy harvester with flexible frame and interdigital structure” Journal

of Applied Physics, vol. 5, 2015.(https://doi.org/10.1063/1.491971)

ZHANG, G.; GAO, S.; LIU, H. “A utility piezoelectric energy harvester with low frequency

and high-output voltage: Theoretical model, experimental verification and energy storage”,

Journal of Applied Physics, vol. 6, 2016 (https://doi.org/10.1063/1.4962979)

https://doi.org/10.3390/act5010005

https://doi.org/10.1063/1.491971

https://doi.org/10.1063/1.4962979

67

DESENVOLVIMENTO DE CO-MODELOS DE SIMULAÇÃO DE PLANTAS E

CONTROLADORES COM COMUNICAÇÃO VIA OPC

Rodolfo G. Machado





Co-orientador – Depto. de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba

RESUMO

O uso de co-modelos pode ser bastante útil para realizar co-simulações em que cada modelo

deve ser especializado em uma determinada função. Por exemplo, um sistema supervisório

pode ser facilmente conectado a diversos sensores e transmissores no campo, porém pode

possuir uma biblioteca limitada de controladores, inviabilizando o uso de modernas técnicas de

controle. Assim, este trabalho propõe a integração de diversos modelos para realizar tarefas

mais complexas de controle e supervisão da planta. Para conexão de diversos co-modelos é

proposto o uso do protocolo de comunicação industrial OPC DA, por meio do qual as variáveis

compartilhadas são disponibilizadas para leitura e dependendo das permissões de um

determinado módulo, também para escrita de dados. Um algoritmo mestre deve estar presente

para coordenar as variáveis compartilhadas e o tempo de execução. O controlador a ser utilizado

será baseado em uma técnica de controle robusto conhecida como desigualdades matriciais

lineares.

PALAVRAS-CHAVE: co-modelos, co-simulação, comunicação OPC, desigualdades

matriciais lineares.

1 INTRODUÇÃO

Co-simulação pode ser definida pela simulação integrada de módulos conhecidos como

co-modelos, que poder ser, por exemplo, a interação de um modelo de tempo contínuo com o

de um modelo a eventos discretos, onde ambos são executados simultaneamente e é permitido

o compartilhamento de dados e eventos (Fitzgerald et al., 2014).

O trabalho será inicialmente desenvolvido em uma plataforma totalmente simulada, a

fim de testar a comunicação e o tempo de execução entre os módulos, assim como a resposta

do controlador e o registro das variáveis selecionadas. Será desenvolvido um primeiro co-

modelo representado uma planta industrial a ser controlada, um segundo co-modelo realizando

a função de sistema de controle e supervisão onde apenas técnicas de controle convencional

podem ser implementadas, e um último co-modelo onde será possível realizar técnicas de

controle moderno, como por exemplo, controle preditivo e controle robusto. Em uma última

etapa, a planta simulada será substituída pela planta real para controle de nível ou controle de

vazão de uma malha industrial.

Desta forma, um dos objetivos desse trabalho é desenvolver os conceitos de co-

simulação e aplicá-los a uma malha real e, ao mesmo tempo, desenvolver técnicas de

modelagem para processos industriais, utilizando-se também das ferramentas disponíveis para

comunicação dos mesmos. Outro objetivo é permitir o uso de outras técnicas de controle além

68

daquelas disponíveis em sistemas supervisórios e aplicativos comerciais voltados para

processos industriais.


Os conceitos de co-modelos e co-simulação são tratados em Fitzgerald et al. (2014).

Nele também é definido um elemento conhecido como contrato, no qual é registrada a natureza

da comunicação entre os módulos e o conjunto de variáveis compartilhadas, parâmetros

compartilhados e eventos, assim como também a permissão de escrita a uma determinada

informação. São indicados requisitos mínimos para se conseguir consistência na co-simulação

e obter resultados coerentes.

Em Nguyen et al. (2017), a técnica de co-simulação é utilizada para avaliação e

validação de sistemas de energia, combinando simuladores de domínios diferentes. São

investigados e classificados diferentes métodos de acoplamento. Em Steinbrink et al. (2017),

também se usa co-simulação aplicada à validação de sistemas smart grids devido ao alto grau

de complexidade de interações entre a rede passiva tradicional e componentes eletrônicos ativos

de potência, que são conectados e se comunicam.


O trabalho inicial será desenvolver o modelo de uma malha industrial composta por

bombas, válvulas e tanques com seus respectivos sensores e transmissores. Para tanto será

utilizado um aplicativo matemático onde o modelo da planta será implementado e executado.

O sistema supervisório original será adaptado para atuar sobre esse modelo para fechar a malha.

Feito isso, será utilizado o protocolo de comunicação industrial OPC DA para permitir que

dados como o set-point, variável de processo e variável de controle fiquem disponibilizadas

para acesso com um aplicativo matemático no qual será implementado um algoritmo de

controle robusto baseado em desigualdades matriciais lineares. O uso desse protocolo foi

realizado pois o sistema supervisório utilizado nesse trabalho foi desenvolvido antes do

lançamento do protocolo OPC UA, e sendo um aplicativo proprietário, não é permitida a

alteração pelo usuário final. Por último, o simulador da malha industrial será substituído pela

planta real citada inicialmente como base para o modelo matemático. O diagrama do

experimento é mostrado na figura 1, onde as linhas em vermelho ilustram as vias de

comunicação OPC, e as linhas em azul permanecem conforme a configuração inicial do

sistema.

Figura 1 – Diagrama do experimento


O controlador utilizado é baseado em uma técnica de controle robusto apresentada em

Kothare et al. (1996). Tal controlador é projetado para atuar em uma planta onde existem

69

imprecisões nos parâmetros do modelo matemático do sistema ou tais parâmetros podem

apresentar um comportamento variante no tempo.

Para tanto, é definido um elemento conhecido como politopo, que é uma região

(intervalo) que contém o valor real do parâmetro. O objetivo para projeto do controlador é obter

para cada instante de tempo, uma lei de controle que minimize o pior caso de uma função

objetivo de horizonte infinito.

5 CONCLUSÕES

Esse trabalho mostrará uma técnica de controle conhecida como co-simulação. Os

resultados esperados são: obter um modelo matemático de uma determinada planta industrial;

desenvolver módulos conhecidos como co-modelos e que se comunicam via protocolo OPC;

desenvolver um algoritmo de controle baseado na técnica de controle robusto conhecida como

desigualdades matriciais lineares e integrar todos os módulos com a execução simultânea dos

mesmos. Desta forma, espera-se obter o controle de uma planta, utilizando-se de ferramentas

inicialmente não disponíveis em sistemas comerciais.


FITZGERALD, J.; LARSEN, P.G.; VERHOEF, M. Collaborative design for embedded

systems. 385 p. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014.

KOTHARE, M.V.; BALAKRISHNAN, V.; MORARI, M. Robust constrained model

predictive control using linear matrix inequalities. Automatica, 1996.

NGUYEN, V.H.; BESANGER, Y.; TRAN, Q.T.; NGUYEN, T.L. On conceptual structuration

and coupling methods of co-simulation frameworks in cyber-physical energy system validation.

Energies, v. 10, n. 12, 2017.

STEINBRINK, C.; LEHNHOFF, S.; ROHJANS, S. et al. Simulation-based validation of smart

grids - Status quo and future research trends. Proceedings of the 8th International

Conference on Industrial Application of Holonic and Multi-agent System, p. 171-185,

2017.

70

SISTEMAS DE ENERGIA

71

ENVOLVIMENTO DE UM GERADOR HIDRELÉTRICO NOS MERCADOS

DO DIA SEGUINTE, REGULAÇÃO E AJUSTES

Tiago Forti da Silva




RESUMO

Um agente gerador atuando em um ambiente de mercados, deve diversificar seus investimentos

visando aumentar o lucro esperado e diminuir o risco gerado pela volatilidade dos preços,

caracterizando uma estratégia de heading. No caso de um gerador hidrelétrico, é necessário

considerar aspectos como a transmissão hidráulica ao longo da cascata e o rendimento variável

das unidades geradores com a altura de queda da água na usina. Para analisar o problema de

um gerador participando dos mercados do dia-seguinte, regulação e ajustes é proposto um

modelo de otimização estocástico quadrático inteiro misto, testado em uma cascata composta

por oito usinas hidrelétricas.

PALAVRAS-CHAVE: Problema de portfólio. Mercados de energia. Programação estocástica.

Otimização inteira mista.

1 INTRODUÇÃO

Um gerador participando de um ambiente de mercados pode atuar em diferentes

segmentos além da venda de energia, como o fornecimento de reativos e reserva para o sistema

e a regulação entre geração e carga. Cada tipo de produto necessário para o sistema é

comercializado em um mercado específico, com regras que variam dependendo das suas

características técnicas e econômicas.

Neste trabalho foi considerando especificamente a situação de um gerador hidrelétrico

que deseja planejar sua atuação para o próximo dia, decidindo a participação nos mercados do

dia seguinte, regulação e de ajustes.

Uma vez que os preços dos mercados são desconhecidos no momento em que o gerador

efetua os seus lances, temos uma situação de informação incompleta. A tomada de decisão pode

então ser modelada através de um processo estocástico, onde cada estágio representa um

conjunto de decisões, ocorre um aumento da quantidade de informação disponível entre dois

estágios sucessivos [1].

O gerador deve elaborar sua estratégia de atuação nos mercados ponderando a relação

entre risco e lucro esperado, uma vez que os preços possuem diferentes graus de volatilidade

associada. Como a capacidade de geração de um agente hidrelétrico está associada com o

volume armazenado nos reservatórios, isso implica em distribuir a água disponível ao longo do

período, respeitando os indicadores vindos de seu planejamento de médio prazo [2].

Ao longo da cascata ocorre a transmissão hidráulica entre as usinas, permitindo a

transferência da água entre as usinas. O volume armazenado também influencia na

produtividade das unidades, já que seu rendimento é determinado predominantemente pelo

comportamento da turbina hidráulica. Este, por sua vez, é proporcional a altura de queda líquida

da água, dada pela diferneça entre as cotas de montante e jusante descontada uma altura de

perdas. Isso implica que o agente pode represar a água para elevar sua cota de montante,

72

aumentando o rendimento das suas unidades nos períodos do dia onde ocorrem preços mais

altos [3].


A utilização de contratos a termo como ferramenta de heading em mercados pool de

eletricidade foi analisada pela referência [4] já em 1990, enquanto a referência [5] analisa como

a mensuração de risco e as técnicas estocásticas podem ser aplicadas às incertezas do mercado

de eletricidade em diferentes períodos de planejamento. Na referência [6] temos um estudo das

assimetrias encontradas nos mercados de energia hidrotérmicos.

O portfólio de médio prazo de um gerador térmico foi modelado por [7] utilizando um

modelo de otimização estocástica inteira mista com o CVaR como medida de risco, enquanto

a referência [8] analisa o mercado turco de eletricidade utilizando a técnica de variância de

Markowitz. Uma comparação entre a mensuração do risco com o CVaR ou pela variância é

encontrada em [9].


O problema de portfólio de um agente gerador atuando no mercados do dia seguinte, de

regulação e de ajustes foi representado através de um modelo de otimização estocástica

quadrático inteiro misto com três estágios, resolvido utilizando o software CPLEX Optimization

Studio versão 12.6 [10].


O modelo proposto foi testado em uma cascata hidráulica composta por oito usinas

hidrelétricas, considerando cenários de preços associados aos mercados do dia seguinte, ajustes

e de regulação, utilizando o valor de risco condicional CVaR como métrica de risco associado,

além da metodologia de representação da curva de performance das unidades geradoras

proposta por [3].

A curva de geração obtida apresenta o mesmo padrão de comportamento que a curva de

preços, demonstrando a alocação do uso da água de modo a maximizar a captação de receitas

nos mercados. Foi possível observar a ocorrência de transferência da água entre as usinas de

acordo com o valor do seu rendimento, visando obter uma relação de MWh gerado por Hm³ de

água mais alta durante o período de pico nos preços. Finalmente, foram respeitadas as restrições

técnicas e ambientais relacionadas aos aspectos hidráulicos, como por exemplo os limites de

variação da defluência das usinas e o balanço de água nos reservatórios, garantindo assim a

factibilidade da operação proposta para o período.

5 CONCLUSÕES

O problema de portfólio de um gerador hidrelétrico para o dia-seguinte consiste em

determinar a sua participação nos mercados disponíveis, buscando uma relação ótima entre

risco e lucro esperado. Isso deve ser feito de modo a respeitar as restrições relacionadas aos

aspectos hidráulicos do problema, como a curva de performance das unidades e o

gerenciamento do nível dos reservatórios.

Considerando a possibilidade de atuação nos mercados do dia-seguinte, regulação e

ajustes, o problema pode ser representado como um modelo de otimização estocástica

quadrático inteiro misto com três estágios. Sua aplicação em uma cascata de teste composta por

73

oito usinas hidrelétricas permitiu a verificação da importância de se considerar os aspectos

hidráulicos para a obtenção de uma solução factível para o planejamento do agente gerador.


[1] A. J. Conejo, M. Carrión, e J. M. Morales, Decision Making Under Uncertainty in

Electricity Markets. Springer Science & Business Media, 2010.

[2] B. Mo, A. Gjelsvik, e A. Grundt, “Integrated risk management of hydro power

scheduling and contract management”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 16, no 2, p. 216–221,

maio 2001.

[3] A. J. Conejo, J. M. Arroyo, J. Contreras, e F. A. Villamor, “Self-scheduling of a hydro

producer in a pool-based electricity market”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 17, no 4, p. 1265–

1272, nov. 2002.

[4] R. J. Kaye, H. R. Outhred, e C. H. Bannister, “Forward contracts for the operation of an

electricity industry under spot pricing”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 5, no 1, p. 46–52, fev.

1990.

[5] M. Denton, A. Palmer, R. Masiello, e P. Skantze, “Managing market risk in energy”,

IEEE Trans. Power Syst., vol. 18, no 2, p. 494–502, maio 2003.

[6] S. Mosquera-López, D. F. Manotas-Duque, e J. M. Uribe, “Risk asymmetries in

hydrothermal power generation markets”, Electr. Power Syst. Res., vol. 147, p. 154–164, jun.

2017.

[7] A. J. Conejo, R. Garcia-Bertrand, M. Carrion, Á. Caballero, e A. de AndrÉs, “Optimal

Involvement in Futures Markets of a Power Producer”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 23, no 2,

p. 703–711, maio 2008.

[8] F. Gökgöz e M. E. Atmaca, “Financial optimization in the Turkish electricity market:

Markowitz’s mean-variance approach”, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 16, no 1, p. 357–368,

jan. 2012.

[9] R. C. Garcia, V. González, J. Contreras, e J. E. S. C. Custodio, “Applying modern

portfolio theory for a dynamic energy portfolio allocation in electricity markets”, Electr. Power

Syst. Res., vol. 150, p. 11–23, set. 2017.

[10] Universidade da Califórnia, Berkeley, IBM ILOG CPLEX Optimization Studio. IBM,

2013.

74

ESTUDO DE COMPORTAMENTO DE AEROGERADOR FRENTE A DISTÚRBIOS

DE TENSÃO COM INJEÇÃO DE CORRENTE REATIVA DURANTE FALTA

Danilo M. Caldas


Prof. Dr. Flavio A. S. Gonçalves

Orientador – Instituto de Ciência de Tecnologia de Sorocaba – Unesp – Sorocaba

RESUMO

O artigo aborda os principais requisitos do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) para

a integração de usinas eólicas ao Sistema Interligado Nacional (SIN). Em seguida, apresenta

uma proposta de verificação da conformidade dos aerogeradores ao requisito de passagem por

distúrbios de tensão (Fault Ride Through – FRT) com injeção de corrente reativa durante a

falta, por meio de resultados provenientes da ferramenta computacional ANATEM do CEPEL.

PALAVRAS-CHAVE: Aerogerador, ANATEM, Procedimentos de Rede, Fault Ride

Through.

1 INTRODUÇÃO

Atualmente, o Brasil possui uma capacidade instalada acumulada de energia eólica de

aproximadamente 13 GW (ABEEOLICA, 2018), chegando uma participação desta fonte na

matriz de energia elétrica brasileira maior do que 8% (ABEEOLICA, 2018).

O fato de o sistema elétrico possuir maior inserção de uma fonte de energia variável na

rede, levou a ANEEL, em conjunto com o ONS a publicar em 2017 uma revisão dos requisitos

técnicos mínimos para a conexão de aerogeradores ao SIN (Sistema Interligado Nacional), onde

são exigidos dos parques eólicos, a participação ativa no controle de tensão e suporte no

controle de frequência da rede (GOMES, SARDINHA e AQUINO, 2017).

O objetivo deste artigo é descrever e apontar os principais requisitos do ONS

relacionados a aerogeradores, concentrando-se na análise do requisito de FRT e na resposta do

aerogerador a distúrbio de tensão através de um estudo de caso.


2.1 Procedimentos de Rede

Para os parques eólicos conectados ao SIN (Sistema Interligado Nacional), devem ser

respeitadas as regras de conexão impostas no Submódulo 3.6 dos Procedimentos de Rede (ONS,

2016). Alguns dos requisitos são relativos ao parque eólico, tendo como referência o PAC

(Ponto de Acoplamento Comum), e outros são relativos aos aerogeradores, individualmente

(GOMES, SARDINHA e AQUINO, 2017).

Considerando o PAC como ponto de referência, destaca-se como novos requisitos a

maior exigência de capacidade de potência reativa e a obrigatoriedade da existência de um

controle centralizado de tensão com possibilidade do uso de um controle Q(ΔU) (Voltage-

Droop) (CALDAS e OGIEWA, 2017).

Por outro lado, também foram modificados requisitos relativos a conformidade da

operação de cada aerogerador individualmente, nomeadamente a resposta destes frente a

distúrbios de tensão ou FRT. Este requisito determina que cada aerogerador deve ser capaz de

75

se manter em funcionamento tanto para distúrbios de subtensão como para distúrbios de

sobretensão de maneira temporária e serem capaz de durante este período contribuírem com

injeção ou absorção de corrente reativa de maneira controlada de acordo com o gráfico

mostrado na Figura 9.

Figura 9. Requisito para injeção de corrente reativa durante falta na rede.


O estudo de caso adotado neste artigo analisa o comportamento de um aerogerador em

relação a distúrbios de tensão através de simulações com o software ANATEM. A Figura 10

ilustra o diagrama unifilar do caso exemplo, considerando um aerogerador conectado a uma

barra infinita.

Figura 10. Caso exemplo com localização da falta simulada.

Para representar o aerogerador no ANATEM foi utilizado o modelo representado pelo

arquivo ExF4r1.cdu, que foi configurado considerando todos os parâmetros correspondentes do

aerogerador E-92 2,35 MW FTQS e os ajustes de cada controle para cumprir com os requisitos

do ONS (ENERCON, 2017). Para inclinação da curva de injeção de reativa foram utilizados

valores arbitrários de K nas simulações, sendo eles: K=3 para subtensão e K=10 para

sobretensão.


Considerando estes parâmetros foram simuladas no ANATEM faltas com a duração de

4 segundos com diferentes níveis de tensão, e foram medidas as correntes reativas injetadas e

absorvidas pelo aerogerador em cada evento. A Tabela 1 apresenta os valores encontrados nas

simulações. Dentre os casos simulados, foram escolhidos dois eventos para serem

demonstrados graficamente, sendo um evento de subtensão e um de sobretensão mostrados,

respectivamente na Figura 11.

76

Tabela 1. Casos de FRT simulados no ANATEM.

Tensão residual durante a falta - Uf (pu) Fator K Corrente Reativa – Iq (A)

0,55 3 0,89

0,76 3 0,26

0,85 3 0,00

1,10 10 0,00

1,13 10 -0,31

1,16 10 -0,61

Figura 11. Resposta do aerogerador durante FRT.

Subtensão: Uf=0,55; Iq=0,89 (capacitivo) e Sobretensão: Uf=1,16; Iq=-0,61(indutivo).

5 CONCLUSÕES

O presente artigo apresentou os novos requisitos do ONS relativos à conexão de parques

eólicos a rede elétrica. Tais requisitos são descritos nos Procedimentos de Rede, sendo alguns

destes requisitos relativos ao PAC e outros relativos a cada aerogerador, de forma individual.

Além disso, foi realizada a avaliação dos requisitos de resposta de um aerogerador a

distúrbios de tensão, considerando resultados de simulação computacional realizadas no

ANATEM utilizando o modelo específico fornecido pelo fabricante ENERCON.

A análise da resposta do aerogerador para cada uma das funcionalidades permitiu a

constatação de que os requisitos novos do ONS frente a tais distúrbios são atendidos, ou seja,

o aerogerador possui a capacidade de manter-se em funcionamento injetando ou absorvendo

corrente reativa de maneira controlada seguindo uma curva de resposta característica pré-

definida.


ABEEOLICA. Dados Mensais ABEEOLICA - Fevereiro 2018. 2018.

CALDAS, D.; OGIEWA, R. Fault Ride Through in Full-Converter Wind Turbines Facing the ONS Grid Code.

Rio de Janeiro: Brazil Wind Power 2017. 2017.

ENERCON. ExF4_ANATEM Model Documentation. 2017.

GOMES, P.; SARDINHA, S.; AQUINO, A. Uma Visão Geral sobre as Questões Relacionadas com a Interligação

e Operação de Usinas de Energia Eólica no Sistema Elétrico Interligado Nacional. Curitiba: XXIV SNPTEE. 2017.

ONS. Submódulo 3.6 - Requisitos técnicos mínimos para a conexão às instalações de transmissão. 2016.

77

MODELO DE PLANEJAMENTO DA AQUISIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A

MÉDIO PRAZO EM MERCADOS DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS

Rodolfo Rodrigues Barrionuevo Silva




RESUMO

O mercado de energia elétrica se difere em diversos pontos do mercado de outras commodities,

especialmente em sistemas hidrotérmicos. Esta pesquisa visa analisar o problema enfrentado

por um grande consumidor neste mercado ao decidir como comprar a energia que necessita. No

planejamento de médio prazo, este consumidor precisa decidir quanto de energia será suprida

pelo mercado de futuros e por contratos bilaterais e quanto pelo mercado pool. Esta decisão

busca obter o menor custo frente às incertezas do preço do mercado em sistemas hidrotérmicos.

Logo, busca-se propor um modelo de planejamento da aquisição de energia, que contribua na

decisão de quais contratos devem ser assinados por um grande consumidor, no horizonte de

médio prazo. Espera-se que o modelo proposto seja capaz de determinar a melhor decisão para

os contratos no mercado de futuros e bilaterais baseada no custo esperado da aquisição da

energia.

PALAVRAS-CHAVE: mercados de energia; sistemas hidrotérmicos; modelo de aquisição de

energia; programação estocástica.

1 INTRODUÇÃO

Ao longo das últimas décadas, o setor de energia elétrica em muitos países evoluiu de

um cenário operacional centralizado para um competitivo. Essa reestruturação permitiu a

liberalização do setor elétrico e o surgimento de mercados de eletricidade em todo o mundo

(CONEJO; CARRIÓN; MORALES, 2010; STOFT, 2002). A abertura do mercado de energia

à iniciativa privada e à livre comercialização propicia a concorrência entre as unidades

geradoras, a redução dos custos de produção e das tarifas pagas pelos consumidores. Neste

processo, a indústria de energia, que era fortemente verticalizada e regulada pelo estado, passa

a seguir a lei da oferta e demanda de mercado (STOFT, 2002).

Tendo em vista este cenário do mercado de energia elétrica, a pesquisa visa abordar o

problema da aquisição de energia elétrica por um grande consumidor. Tal problema é

apresentado em (CONEJO; FERNANDEZ-GONZALEZ; ALGUACIL, 2005; CONEJO;

CARRIÓN; MORALES, 2010), no qual o consumidor, a fim de minimizar suas despesas com

eletricidade, deve determinar quanto de energia será adquirida através de contratos bilaterais,

quanto será obtida no mercado pool e quanto de energia será produzida.

As abordagens relativas à aquisição de energia (CONEJO; FERNANDEZ-

GONZALEZ; ALGUACIL, 2005; CONEJO; CARRIÓN; MORALES, 2010) enfatizam a

decisão com base em cenários de preços pré-estabelecidos, sem explorar como tais informações

são definidas, nem qual tipo de sistema está sendo trabalhado (sistema termoelétrico,

hidroelétrico etc.). Nesta pesquisa, visa-se explorar as características específicas de sistemas

hidrotérmicos, especialmente quanto à formação dos preços da energia no mercado pool.

Portanto, este projeto visa propor um modelo de planejamento da aquisição de energia

que contribua na decisão de quais contratos devem ser assinados por um grande consumidor no

78

horizonte de médio prazo, tanto no mercado de futuros quanto bilateralmente. As incertezas do

mercado serão modeladas por meio de processos estocásticos usando conjuntos de cenários

para as afluências futuras e preços do mercado pool. Serão consideradas as informações

históricas de afluências para a geração dos cenários e também será considerada a aversão ao

risco na formulação do modelo. Espera-se que o modelo a ser proposto seja capaz de determinar

a melhor decisão para os contratos baseada no custo esperado da aquisição da energia e no

risco.


Esta pesquisa visa propor um modelo estocástico para o planejamento da aquisição de

energia por um grande consumidor. Para desenvolver esse modelo, os principais temas de

estudo e atividades previstas são: mercados de energia e as formas de aquisição de energia;

tomada de decisão em cenários de incertezas, tais como o preço da energia no mercado pool;

programação estocástica; mercado de energia em sistemas hidrotérmicos; métodos de previsão

de preços da energia no mercado pool com base em dados históricos; modelos para gestão do

risco e para o planejamento da aquisição de energia; modelagem estocástica para tratar as

incertezas do mercado em sistemas hidrotérmicos; e, finalmente, desenvolvimento de um

modelo de otimização da aquisição de energia pelo grande consumidor.

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E DISCUSSÕES

As primeiras pesquisas relativas a modelos de mercado de energia elétrica, tais como

Schweppe et al. (1988) e Galiana; Kockar; e Franco (2002), mostraram que estes não poderiam

ser descritos apenas por modelos econômicos. Esta peculiaridade se deve ao fato da energia

elétrica obedecer a leis físicas e a questões operacionais que não podem ser representadas em

modelos simplesmente econômicos. Logo, notou-se a necessidade do desenvolvimento de

modelos econômicos específicos, que representassem tanto as características físicas do sistema

quanto as do mercado de energia elétrica (GALIANA; KOCKAR; FRANCO, 2002).

Apesar da complexidade do mercado de energia elétrica, sua implantação tem mostrado

que este ambiente pode gerar benefícios tanto para consumidores quanto para produtores

(ARROYO; CONEJO, 2002), uma vez que a competição possibilita maior redução de preços

em relação a ambiente com preços regulados (STOFT, 2002).

Na literatura, são essencialmente apresentados dois modelos econômicos para a

comercialização de energia elétrica: o mercado spot, também conhecidos como mercado pool;

e o mercado de futuros, que incluem os contratos bilaterais (VERGÍLIO, 2011).

Um grande consumidor tem a oportunidade de adquirir a energia que necessita através

de contratos futuros, bilaterais ou no mercado pool. Ao assinar contratos futuros e bilaterais,

reduz o risco associado à volatilidade dos preços no mercado pool, porém, geralmente com

custo mais elevado. Já depender principalmente do mercado pool pode resultar em uma

volatilidade inaceitável. Então, o problema que o grande consumidor enfrenta consiste em

decidir o quanto de energia adquirir em cada mercado de energia (CARRION et al., 2007).

Este problema enfrentado pelo grande consumidor pertence a um cenário de muita

incerteza, similar à maioria dos problemas de tomada de decisão enfrentados pelos agentes do

mercado de eletricidade. No entanto, as decisões precisam ser tomadas mesmo com a falta de

informações precisas. Então, surge a utilização de modelos de programação estocástica para

tomada de decisão sob incerteza (CONEJO; CARRIÓN; MORALES, 2010).

79


O mercado brasileiro de energia elétrica, além de se diferir do mercado de outras

commodities, tem passado por diversas mudanças devido ao seu processo de

desregulamentação. Esse processo alterou as relações entre os agentes de compra e de venda de

energia elétrica. A proposta desta pesquisa consiste em propor e avaliar um modelo de

planejamento da aquisição de energia por um grande consumidor, no horizonte de médio prazo

e em sistemas hidrotérmicos. Para atingir esse objetivo, a pesquisa irá explorar temas relativos

ao mercado de energia elétrica; à previsão de preços da energia; à programação estocástica; e

aos modelos de planejamento de aquisição de energia e de gestão de risco.

Este projeto pretende contribuir para a literatura ao desenvolver uma ferramenta para a

aquisição de energia na perspectiva do grande consumidor e voltado para sistemas

hidrotérmicos. Destaca-se esta contribuição, pois, a literatura, quando voltada para sistemas

hidrotérmicos, geralmente aborda problemas de planejamento do despacho e nas perspectivas

do gerador ou do operador do sistema. E quando as pesquisas trabalham o problema de

aquisição de energia, geralmente tratam sistemas termoelétricos e na perspectiva do revendedor

de energia.


ARROYO, J. M.; CONEJO, A. J. Multiperiod auction for a pool-based electricity market.

IEEE Transactions on Power Systems, v. 17, n. 4, p. 1225–1231, nov. 2002.

CARRION, M.; PHILPOTT, A. B.; CONEJO, A. J.; ARROYO, J. M. A Stochastic

Programming Approach to Electric Energy Procurement for Large Consumers. IEEE

Transactions on Power Systems, v. 22, n. 2, p. 744–754, maio 2007.

CONEJO, A. J.; CARRIÓN, M.; MORALES, J. M. Decision Making Under Uncertainty in

Electricity Markets. [S.l.]: Springer, 2010.

CONEJO, A. J.; CONTRERAS, J.; ESPÍNOLA, R.; PLAZAS, M. A. Forecasting electricity

prices for a day-ahead pool-based electric energy market. International Journal of

Forecasting, v. 21, n. 3, p. 435–462, jul. 2005.

GALIANA, F. D.; KOCKAR, I.; FRANCO, P. C. Combined pool/bilateral dispatch. I.

Performance of trading strategies. IEEE Transactions on Power Systems, v. 17, n. 1, p.92–

99, fev. 2002.

SCHWEPPE, F. C.; CARAMANIS, M. C. TABORS, R. D.; BOHN, R. E. Spot Pricing of

Electricity. Boston, MA: Springer, 1988.

STOFT, S. Designing Markets for Electricity. [S.l.]: IEEE Press, 2002.

VERGÍLIO, A. H. B. U. Um modelo de pré-despacho hidrotérmico para mercados de

energia. Aleph, p. 132 f.: il., ago. 2011. Disponível em: <https://repositorio.unesp.br/-

handle/11449/87186>.

https://repositorio.unesp.br/-handle/11449/87186

https://repositorio.unesp.br/-handle/11449/87186

80

OTIMIZAÇÃO DA OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARA

MINIMIZAÇÃO DOS CUSTOS COM ENERGIA ELÉTRICA

Letícia Maria Miquelin



Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru

Profa. Dra. Maristela Oliveira dos Santos

Coorientadora – Depto. de Matemática Aplicada e Estatística – USP – São Carlos

RESUMO

Os sistemas de abastecimento de água têm um papel importante no cotidiano da população.

Eles são responsáveis por levar água de qualidade e em quantidade adequada à população. Tais

sistemas utilizam bombas hidráulicas para captar água de poços ou mananciais, para fazer a

transferência de água entre os reservatórios e, em alguns casos, para atender a demanda. Como

grande parte dos gastos com energia elétrica nesses sistemas se dá por conta do sistema de

bombeamento é necessário o planejamento da operação das bombas hidráulicas de modo a

minimizar os gastos com energia elétrica. O objetivo desta pesquisa é propor um modelo

matemático para minimizar dos custos com energia elétrica em sistemas de abastecimento mais

próximo da realidade.

PALAVRAS-CHAVE: Energia Elétrica, Otimização, Bombas Hidráulicas, Sistemas de

Abastecimento.

1 INTRODUÇÃO

Os custos com energia elétrica são altos em empresas de saneamento básico. Segundo

Tsutiya (2006), cerca de 95% dos gastos com energia elétrica nessas empresas se dá por conta

dos sistemas de bombeamento.

As tarifas energéticas cobradas das empresas de saneamento básico têm preços

diferenciados de acordo com as horas do dia. No Brasil, o horário compreendido entre as 18h e

as 21h é chamado horário de ponta, onde a energia elétrica é mais cara e que há um maior

consumo de água pela população.

Nos sistemas de abastecimento de água existem bombas hidráulicas que captam água

de poços ou mananciais, enviando esta água para os reservatórios, e bombas responsáveis por

fazer a transferência dessa água entre os reservatórios. Em alguns casos esses reservatórios são

instalados em partes altas das cidades, de modo que a demanda é atendida por gravidade, como

visto em Toledo et al. (2008), não havendo a necessidade de utilizar bombas hidráulicas. Em

outros, não é possível a instalação de todos os reservatórios nas partes altas, sendo necessário

o uso de bombas para distribuição de água, como em Santos et al. (2015).

Um procedimento comum observado é o acionamento das bombas quando os níveis

mínimos dos reservatórios são atingidos, deixando-as ligadas até que se atinjam seus limites

máximos, sem levar em consideração o horário em que estão sendo feitas essas operações.

Assim, é de grande importância o planejamento da operação de liga/desliga das bombas

hidráulicas em sistemas de abastecimento de água de modo a minimizar os gastos com energia

elétrica.

81

Neste trabalho será investigado o modelo matemático para o problema da operação de

bombas hidráulicas proposto por Santos et al. (2015) e propor alterações neste modelo,

deixando mais próximo da realidade dos sistemas de abastecimento. Serão realizados testes

com parte do sistema de abastecimento da cidade de São Carlos/SP.


Grande parte dos gastos com energia elétrica em sistemas de abastecimento se dá por

conta dos sistemas de bombeamento. Alperovits e Shamir (1977) já se preocupavam com a

questão e trabalharam em um modelo matemático para minimizar os custos com energia elétrica

em sistemas de abastecimento de água, onde consideravam os custos das bombas e de seu

funcionamento.

Em Toledo et al. (2008) é apresentado um modelo matemático de programação inteira

mista para o planejamento da operação de bombas hidráulicas em sistemas de abastecimento

de água. Este consiste em decidir o liga/desliga das bombas hidráulicas de modo a minimizar

os custos com energia elétrica, mas sem prejudicar o atendimento da demanda. Neste modelo

são consideradas que a captação de água dos poços e a transferência entre os reservatórios são

feitas por bombas hidráulicas. Já o atendimento dos centros consumidores é feito por meio de

gravidade, considerando que os reservatórios se encontram em estações mais elevadas. Foram

feitos testes numéricos considerando diferentes horizontes de planejamento, onde o dia foi

dividido em 7 períodos, de 3 horas cada. Os dados utilizados são de parte da rede de distribuição

de água da cidade de São Carlos/SP. O modelo se mostrou eficiente, reduzindo

consideravelmente os gastos com energia elétrica. Além disso, os autores fizeram testes

computacionais considerando perdas nos sistemas, que mostraram que investimentos em

infraestrutura também minimizam os gastos com energia elétrica.

Gebrim (2013) desenvolveu um modelo matemático para o problema da operação das

bombas e das válvulas no sistema de abastecimento de água do Rio Descoberto, no Distrito

Federal. O modelo foi resolvido através do Algoritmo Genético. Neste trabalho o autor limita

a quantidade de acionamentos das bombas e das válvulas, já que estes acarretam custos á função

objetivo. Com isso, o autor conseguiu uma redução de cerca de 2,7% nos gastos com energia

elétrica.

Vega (2015) trabalhou num modelo matemático que é uma extensão do modelo

apresentado por Toledo et al. (2008), onde os autores lidam com a aleatoriedade da demanda

de forma explícita através da programação estocástica de dois estágios, de modo a suavizar o

risco de não-atendimento da demanda, e conseguem determinar cenários onde podem ocorrer

excesso ou falta de água.


Neste trabalho será investigado o modelo de otimização linear inteira mista para o

planejamento da operação de bombas hidráulicas em sistemas de abastecimento de água

proposto por Santos et al. (2015). Serão propostas alterações na formulação original, com a

inclusão de novas restrições, de modo a aproximar mais o modelo da realidade dos sistemas de

abastecimento de água.


De acordo com Vega (2015), no Brasil, estima-se que o setor industrial seja responsável

por 48% do total de energia elétrica consumida no país. Desse total, 7% são consumidos pelos

82

sistemas de abastecimento de água. Em Sampaio Filho (2004), o Brasil é o segundo país com

maior tarifa de energia elétrica, e o sétimo se não forem incluídos os impostos.

Desse modo, é de grande importância que as empresas de saneamento possam diminuir

seus gastos com energia elétrica, sem prejuízo no abastecimento.

O modelo proposto por Santos et al. (2015) se aproxima mais da realidade dos sistemas

de abastecimento de água em relação ao modelo de Toledo et al. (2008), pois considera que o

atendimento da demanda, em alguns casos, precisa ser feito através de bombas hidráulicas, com

base no sistema de abastecimento de uma região da cidade de São Carlos/SP. Além disso, são

consideradas que existem um conjunto de bombas hidráulicas responsáveis pelo transporte de

água entre os reservatórios, e não apenas uma bomba, diferenciando-o de alguns modelos vistos

na literatura.

4 CONCLUSÕES

Esperamos obter um modelo que se aproxime mais da realidade dos sistemas de

abastecimento de água das cidades brasileiras, fazendo assim com que haja uma diminuição

nos gastos com energia elétrica.


ALPEROVITS, E.; SHAMIR, U. Design of Optimal Water Distribuition Systems. Water

Resourses Research, v. 13, no. 6, p. 885-900.

GEBRIM, D.V.B. Otimização operacional de sistemas de abastecimento de água com objetivo

de redução de custo de energia elétrica. 2013. 120 p. Dissertação (Mestrado em Tecnologia

Ambiental e Recursos Hídricos) – Faculdade de tecnologia, universidade de Brasília, 2013.

SAMPAIO FILHO, G.; ALCALDE, J.L. Análise de qualidade de Energia e Eficiência Energética

em Sistemas de Água e Saneamento. In: Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de

Abastecimento Urbano de Água, IV, 2004, João Pessoa. Disponível em:

<http://www.lenhs.ct.ufpb.br/html/downloads/serea/4serea/artigos/analise_de_qualidade_de_ener

gia_co.pdf.> Acesso em: 25 de agosto de 2017.

SANTOS, M.O.; FURLAN, M.M.; SOLER, E.M.; ARENALES, M.N. A Mixed-Integer

Programming Model for Pump Operations in a Water Distribution System. In: EURO2015 (27th

European Conference On Operational Research), 1, 2015, Glasgow. EURO2015. Glasgow: 2015.

P. 203-203.

TOLEDO, F.M.B.; SANTOS, M.O.; ARENALES, M.N.; SELEGHIM JR, P.S. Logística de

distribuição de água em redes urbanas – racionalização energética. Pesquisa Operacional, v. 28,

p. 75-91, 2008.

TSUTIYA, M.T. Redução do custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água.

ABES – Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. 2006.

VEJA, J.DE LA.; ALEM, D. Energy Rationalization in Watter Supply Networks via Stochastic

Programming. IEEE Latin America Transactions, v. 13, no. 8, p. 2742-2756.

83

MODELO DE OTIMIZAÇÃO MULTIOBJETIVO DE MINIMIZAÇÃO DE CUSTO E

EMISSÃO CONSIDERANDO FONTES DE ENERGIA EÓLICA E TÉRMICA

Andréa Camila dos Santos Martins


Prof. Dr. Antônio Roberto Balbo

Orientador – Departamento de Matemática – Unesp – Bauru

Prof. Ph.D. Dylan Jones

Coorientador – Department of Mathematics - University of Portsmouth - Inglaterra

RESUMO

Neste trabalho será apresentado um modelo cujo objetivo é mostrar como a produção de energia

eólica pode auxiliar na redução da emissão de CO2 e nos custos operacionais de geração de

energia térmica. O modelo proposto é uma modelagem matemática de otimização multiobjetivo

com o objetivo de minimizar o custo de produção de energia eólica e térmica e os impactos

ambientais provenientes da queima de combustíveis. Os métodos de otimização multiobjetivo

utilizados foram o Método de restrições canalizadas progressivas, que transforma o problema

multiobjetivo em um conjunto de problemas mono-objetivo e as técnicas do Método Goal

Programming (programação por metas) a qual permite ao tomador decidir qual o melhor

critério para alcançar determinados objetivos ou metas de interesse. A resolução desses

problemas foi encontrada através do solver GAMS utilizando pacotes computacionais de

otimização que auxiliaram esses métodos a buscarem soluções eficientes apresentando casos

distintos de produção de energia.

PALAVRAS-CHAVE: otimização, energia eólica, multiobjetivo, programação por metas.

1 INTRODUÇÃO

Atualmente o Brasil ocupa a 8ª posição no ranking mundial em capacidade instalada de

energia eólica, chegando a 13 GW (gigawatts) de potência instalada e com mais de 500 parques

eólicos. De acordo com o Boletim Anual de Geração Eólica (2016) foram evitadas a emissão

de 17,81 milhões de toneladas de CO2 no ano de 2016 e no ano seguinte essa redução atingiu

mais 20 milhões de toneladas, segundo a Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica)

(2018), assim a produção eólica dentro da matriz energética brasileira tem sido uma alternativa

para melhorar a redução da emissão de CO2 e diminuição dos custos operacionais de produção

de energia térmica.

Neste trabalho um modelo multiobjetivo de despacho econômico que correlaciona a

produção simultânea de energia térmica e eólica, seus custos de produção e despacho ambiental

será investigado para verificar a eficiência da matriz eólica na redução da emissão de CO2. O

modelo proposto é uma combinação do despacho econômico e ambiental das usinas térmicas e

o despacho econômico das usinas eólicas cujo o objetivo é minimizar simultaneamente os

custos e a emissão de CO2, atendendo a uma demanda de produção determinada e restrições

operacionais dos geradores térmicos e eólicos.


O despacho econômico e ambiental para o sistema de geração térmica visto em

84

Gonçalves (2015) tem como objetivo minimizar respectivamente, o custo dos combustíveis e a

emissão dos poluentes que ocorrem através da queima de combustíveis fósseis, e ao mesmo

tempo atender as restrições operacionais do problema. O despacho econômico relativo as usinas

eólicas é um modelo estocástico apresentado em Hetzer (2008), onde a velocidade dos ventos

é uma variável aleatória, sendo assim necessário utilizar a distribuição de probabilidade de

Weibull para a análise do aproveitamento da energia eólica.

Os métodos para a resolução do modelo proposto são o Método de restrições canalizadas

progressivas encontradas em Santos (2016) e a técnica de programação por metas encontrado

em Jones (2010).

Para modelos de otimização multiobjetivo, o método de restrições canalizadas

progressivas transforma o problema original em um conjunto de subproblemas mono-objetivos.

Para um modelo proposto, a função custo torna-se a função objetivo do modelo e a função

ambiental é incorporada às restrições deste, sendo limitada superior e inferiormente para níveis

mínimos e máximos de emissão, de acordo com o problema mono-objetivo. Os limitantes de

famax e fa

min utilizados são calculados da seguinte forma:

- famin é o valor mínimo da função objetivo ambiental determinada pela minimização de

fa sujeito as restrições do modelo, onde o valor de (fe + fw)max também é calculado.

- famax é o valor máximo da função objetivo ambiental determinada pela minimização de

fe + fw sujeito as restrições do modelo, onde o valor de (fe + fw)min também é calculado.

As soluções famin, (fe + fw)min, fa

max e (fe + fw)max são as soluções lexicográficas do

problema que serão utilizadas para determinar as metas a serem alcançadas para a técnica de

otimização por metas.

A programação por metas é uma técnica de otimização multiobjetivo, que permite ao

tomador decidir qual o melhor critério a ser utilizado para alcançar determinados objetivos ou

metas de interesse a serem alcançadas. Algumas das componentes que aparecem na formulação

do Goal Programming são: a meta e as variáveis de desvio. A meta é o valor ideal de solução

para os objetivos a serem alcançados, a qual nem sempre é um valor fácil de ser encontrado,

pois como as funções objetivos são conflitantes a solução ideal seria muito difícil de ser

encontrada. As variáveis de desvio vão determinar o quanto a solução encontrada está abaixo

(desvio negativo) ou acima (desvio positivo) da meta estabelecida, fazendo assim parte da

função critério (função objetivo do Goal Programming). O critério utilizado para resolução

desse modelo foi o Goal Programming Weigthed o qual permite compensar diretamente todas

as variáveis de desvio colocando-as em uma função critério ponderada e normalizada.


Ao analisarmos a importância da produção eólica na redução da emissão de CO2

precisamos comparar a quantidade de emissão que um sistema de energia produziria sem a

inserção das usinas eólicas e posteriormente como as eólicas auxiliam nessa redução dentro

desse sistema. Uma simulação baseado nos dados encontrados na literatura foi realizada para a

resolução do modelo considerando os seguintes casos:

Caso 1) 1A: sem usinas eólicas e 1B: com usinas eólicas: contendo 3 geradores térmicos

e 5 usinas eólicas e demanda de produção de potência de 850 MW.

Caso 2) 2A: sem usinas eólicas e 2B: com usinas eólicas: contendo 6 geradores térmicos

e 1 usina eólica com 10 turbinas e demanda de produção de potência de 283.4 MW.

85

Os resultados obtidos foram calculados utilizando o pacote computacional Knitro

encontrado no software Gams.


Os resultados obtidos pelo Goal Programming foram comparados para cada caso,

analisando a quantidade de redução da emissão de CO2. Para o caso 1 foram evitados a emissão

de 344.25 Kg/h (15.84%) e para o caso 2 foram evitados a emissão de 42.98 Kg/h (19%),

mostrando assim que a utilização da energia eólica tem uma influência significativa na redução

da emissão de CO2, para o atendimento das demandas de produção de energia consideradas.

5 CONCLUSÕES

Esse trabalho permitirá analisar como a inserção das usinas eólicas podem auxiliar na

redução da emissão de CO2 e de custo operacionais para a produção de energia envolvendo as

usinas térmicas e eólicas. Para trabalhos futuros o problema multiobjetivo será definido a partir

da consideração separada de 3 funções objetivos: custo dos combustíveis, redução da emissão

e custo de produção eólica e novas técnicas Goal Programming serão utilizadas para analisar o

equilíbrio entre os objetivos propostos determinando metas a serem alcançadas para cada um

deles considerando-se separadamente e concomitantemente esses objetivos.


ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA (ABEEólica). Boletim Anual de

Geração Eólica 2016. Disponível em: http://www.abeeolica.org.br/dados-abeeolica/. Acesso

em: 29 jun 2018.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA (ABEEólica). Dados mensais -

Fevereiro de 2018. Disponível em: http://www.portalabeeolica.org.br/dados-abeeolica/.

Acesso em: 29 jun 2018.

GONÇALVES, E. Métodos hídridos de pontos interiores/exteriores e de aproximantes de

funções em problemas multiobjectivo de despacho econômico e ambiental. 2015. 172 f.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Estadual Paulista "Júlio de

Mesquita Filho" - Faculdade de Engenharia de Bauru, Bauru, 2015.

HETZER, J. et al. An economic dispatch model incorporating wind power. IEEE

Transactions on energy conversion, v. 23, p. 603-611, 2008.

JONES, D. F.; TAMIZ, M. Practical goal programming. Volume 141. New York: Springer,

2010.

SANTOS, M. R. B. Métodos de pontos interiores/exteriores, de restrições canalizadas

progressivas e de suavização arco tangente, em problemas de despacho econômico e

ambiental. 2016. 142 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Estadual

Paulista "Júlio de Mesquita Filho" - Faculdade de Engenharia de Bauru, Bauru, 2016.

http://www.abeeolica.org.br/dados-abeeolica/

http://www.portalabeeolica.org.br/dados-abeeolica/

86

ANÁLISE DE ALGORITMOS DE APRENDIZADO DE MÁQUINAS COM USO DA

MATRIZ DE CONFUSÃO NO DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES

Marco Akio Ikeshoji

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – UNESP – Bauru

Prof. Dr. André Nunes de Souza

Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – UNESP – Bauru

Prof. Dr. Danilo Sinkiti Gastaldello

Coorientador – Depto de Engenharia Elétrica – Universidade Sagrado Coração – Bauru

RESUMO

O uso da análise qualitativa e quantitativa dos gases dissolvidos no óleo isolante (DGA) do

transformador de potência em conjunto com métodos de diagnósticos de falhas disponíveis tem

permitido identificar possíveis anormalidades incipientes e assim providenciar adequada

manutenção do equipamento. Nesse contexto, diversos métodos de aprendizagem de máquinas

(AM) tem sido desenvolvidos e bons resultados de desempenho em classificações de falhas

apresentados, entretanto, uma análise cuidadosa revela que o maior resultado global de acurácia

nem sempre reflete o melhor desempenho. Neste trabalho são analisadas as assertividades dos

algoritmos AM supervisionados Multi-layer Perceptron (MLP) e Extreme Learning Machine

(ELM) com emprego da matriz de confusão na análise de DGA.

PALAVRAS-CHAVE: Análise de Gás Dissolvido, MLP, ELM, Matriz de Confusão.

1 INTRODUÇÃO

O transformador de potência a óleo é considerado um elemento essencial para o

funcionamento do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica. A sua saída abrupta

de operação do sistema pode ocasionar grandes prejuízos financeiros, instabilidade ao sistema

e incômodo aos envolvidos, logo, a adoção de medidas que permitam acompanhar seu estado

funcional e garantir continuidade do fornecimento de energia se faz necessária. A produção de

diferentes tipos e quantidades gases decorrentes da decomposição do óleo mineral e papel

isolante do transformador está relacionado diretamente aos esforços térmicos e elétricos ao qual

o equipamento é submetido. Um acompanhamento desses tipos de gases em conjunto com uso

de métodos de diagnósticos de falhas (por exemplo, métodos clássicos contidos na IEEE

C57.104 e IEC 60599) permite determinar como está a saúde do transformador, entretanto, nem

sempre os níveis de assertividade das falhas são ideais e assim demandam a análise

complementar de um especialista para o veredito final. É nesse contexto e com objetivo de

prover soluções para ambas as situações nessa área que a AM vem sendo pesquisada e

desenvolvida. Modelos de algoritmos AM supervisionados usam dados com informações à

priori dos gases e rótulos de diversos transformadores para treino e teste, entretanto, esses

modelos normalmente são mal condicionados (SILVESTRE, 2015) e somado ao fato da

existência de possíveis incertezas das medições inseridas nos dados, implicam na redução dos

níveis de acurácia dos resultados. Apesar dessa redução, tais valores podem ser equiparáveis

ou superiores aos métodos clássicos como visto em NETO (2009). Uma simples análise com

emprego da matriz de confusão dos resultados de classificação das falhas, revela os cuidados

que acercam a interpretação dos dados e mostra que observar apenas o resultado global de

acurácia não significa ser uma condição suficiente para caracterizar o desempenho das AM

apresentadas.

87


Diversos trabalhos de AM têm sido desenvolvidos para análise e diagnóstico de falhas

em transformadores entre os quais se encontram NETO (2009), VENKATASAMI & LATHA

(2016) e FILHO (2012), no entanto ainda persiste a utilização dos métodos clássicos como meio

de análise oficial bem como para validação de laudos e documentos técnicos afins, relegando o

desenvolvimento das AM às pesquisas ou interesses particulares de empresas. Certamente, um

dos obstáculos que restringe a aplicação da AM se deve a insegurança em destinar a

responsabilidade da análise de falhas a uma máquina cuja consequência final pode ser

desastrosa tendo em vista uma classificação inadequada. Pressupõe-se que a superação desta

barreira se dará à medida que forem eliminados os erros de diagnósticos, se não todos, pelo

menos para os casos críticos. Um dos meios de verificar o desempenho dos algoritmos de AM

empregados (ou em desenvolvimento) na classificação de falhas pode ser feito com uso e

análise da matriz de confusão dos resultados.


Para treinamento e teste dos algoritmos AM foram usados dados de 189 transformadores

com informações de 05 tipos de gases dissolvidos (H2, CH4, C2H2, C2H4 e C2H6) e seus devidos

rótulos (normal, falha elétrica e falha térmica) distribuídos em proporções iguais com 63

unidades de cada tipo. Cerca de 70% dos dados foram usados para treino e 30% para teste,

ambos aleatoriamente distribuídos. Simulou-se 10 vezes cada algoritmo e os resultados de

desempenho global junto com as matrizes de confusão de falhas são apresentados. Na

arquitetura do MLP (KOVÁCS, 2006) empregou-se três camadas formadas por 5 neurônios na

entrada, 10 na oculta (determinado empiricamente) e 3 na saída, o algoritmo de treinamento

Levenberg Marquardt ajustado para 1500 épocas, com limite de erro igual 0,0001, taxa de

aprendizado 0,001 e função de ativação tangente hiperbólica. Para a arquitetura ELM

(HUANG, 2012) utilizou-se os valores de C=0,0625 e =3,8147.10-6 obtidos empiricamente e

não se atribuiu o número de neurônios visto que são constituídos pelos dados de entrada e

função Kernel. Em se tratando de redes com saídas multiclasses, a classe de saída é definida

através do neurônio que apresenta o maior valor entre os demais.


A consequência dos erros nos diagnósticos reflete em prejuízos de ordem social e

financeira. A situação indesejada que confere maior gravidade ocorre quando há uma falha em

andamento e mesma é classificada como normal, e em menor gravidade quando as falhas são

trocadas ou a condição normal é classificada como falha. Nos métodos clássicos isso é resolvido

pelo especialista no assunto, mas na AM o desafio está em como contornar essas situações, seja

na forma de tratamento dos dados de entrada ou na escolha/desenvolvimento de algoritmos que

alcancem o objetivo que melhore a acurácia. A Tabela 1 apresenta os valores percentuais de

acerto mínimo de 82,46% e máximo de 87,72% para MLP, porém, observando-se suas matrizes

de confusão, o menor percentual se mostrou com melhor resultado. Já o resultado do algoritmo

ELM ficou abaixo da MLP, entretanto, estável.

Tabela 1 – Matriz de Confusão

MLP – Acerto 82,46% MLP – Acerto 87,72% ELM – Acerto 82,46%

Falhas Térmica Elétrica Normal Térmica Elétrica Normal Térmica Elétrica Normal

Térmica 17 2 0 17 0 2 17 1 1

88

Elétrica 0 18 1 0 18 1 2 15 2

Normal 4 3 12 3 1 15 2 2 15

A Fig. 1 ilustra o comportamento da MLP e ELM para os dados de DGA empregados.

Fig. 1 – Percentual de acertos de DGA.

4 CONCLUSÕES

A validação do desempenho das redes observando apenas o resultado global pode não

ser suficiente (exceto para acertos nos diagnósticos de 100%) devido às circunstâncias de

incertezas nos dados e condicionamento dos modelos de AM inseridas, logo, uma análise mais

cuidadosa deve ser realizada e o uso da matriz de confusão contribui para avaliação e escolha

do algoritmo AM mais adequado.

Como continuidade desse trabalho serão investigados outros procedimentos de

tratamento de dados e algoritmos AM que permitam melhorar os casos de erros de diagnósticos

principalmente nos casos críticos para que sejam minimizados ou eliminados. De outro modo,

novas propostas deverão ser desenvolvidas.


FILHO, G. L. Comparação entre os critérios de diagnósticos por análise cromatográfica de

gases dissolvidos em óleo isolante de transformador de potência, Dissertação (Mestre em

Engenharia Elétrica), USP, São Carlos-SP, 2012.

HUANG G. B.; ZHOU, H.; DING, X.; ZHANG R. Extreme Learning Machine for Regression

and Multiclass Classification, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. Part B,

Cybernetics, v. 42(2), pp.513–29, 2012.

KOVÁCS, Z. L. Redes Neurais Artificiais – Fundamentos e Aplicações, 4 ed., São Paulo: Editora

Livraria da Física, 2006.

NETO, A. D.; ASSUNÇÃO, T. C. B. N.; ASSUNÇÃO J. T. Classificação dos Transformadores

de Potência Empregando a Análise dos Gases Dissolvidos no Óleo Isolante, In: IX CBRN -

Congresso Brasileiro de Redes Neurais/Inteligência Computacional, Ouro Preto-MG, 2009.

SILVESTRE. L. J. Regularização de Extreme Learning Machines: uma abordagem com

Matrizes de Afinidade, Tese (Doutor em Engenharia Elétrica), UFMG, Belo Horizonte-MG, 2015.

VENKATASAMI, A.; LATHA, P. Application of Extreme Learning Machine in Fault

Classification of Power Transformer, Circuits and Systems, v. 7(10), pp. 2837–28, 2016.

89

MODELAMENTO DE CICLO DE VIDA PARA TRANSFORMADORES DE

POTÊNCIA EMPREGANDO TEORIA DE POTÊNCIA CONSERVATIVA

Halley J. Braga da Silva


Prof. Dr. Flavio Alessandro Serrão Gonçalves

Orientador – Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba – Unesp – Sorocaba

RESUMO

O escopo do trabalho trata estudos e desenvolvimento de modelos do ciclo de vida de

transformadores de potência, trazendo uma abordagem especifica para vertente da Teoria da

Potência Conservativa do inglês Conservative Power Theory (CPT). As análises utilizarão

dados de medição de grandezas elétricas, como principais variáveis para a elaboração do

modelo, como variáveis secundárias poderão estar inclusas no projeto, medições de temperatura

e mensuração de elementos químicos. Concentrando o desenvolvimento em um banco de dados

de uma distribuidora de energia, utilizando ferramentas computacionais pretende-se chegar a

um modelo com possibilidades de ser adaptativo, que reproduza com fidelidade o ciclo de vida

do transformador de potência com especificidade aos transformadores de potência das

subestações de distribuição. Por fim, tomando os resultados das simulações computacionais e

análise crítica dos resultados, espera-se ter aspectos que contribuam para melhoria da gestão

deste ativo elétrico de grande importância para o sistema elétrico de potência.

PALAVRAS-CHAVE: Ciclo de Vida de Transformadores, Transformadores de Potência,

Gestão de Ativos Elétricos.

1 INTRODUÇÃO

Os transformadores de potência, são os dispositivos mais críticos e caros de um sistema

de potência [1]. Podendo comprometer até 60% do valor do investimento necessário para a

construção de uma subestação. Assim, este importante componente do sistema elétrico de

potência deve ser um dispositivo de alta taxa de confiabilidade, para que os desembolsos

realizados com o investimento não se percam com energia não suprida ou penalizações das

agências regulatórias.

Em [2] é relatado que anteriormente a 1942 os efeitos da degradação do isolamento dos

condutores do enrolamento em função do tempo e temperatura a que eram submetidos já eram

conhecidos. Em 1956 a American Institute of Electrical Engineers (AIEE) criou um grupo de

trabalho para abordar a influência do carregamento dos transformadores em seu ciclo de vida.

No Brasil o Manual de Controle Patrimonial do Setor Elétrico – MCPSE estabelece a

taxa de depreciação anual para transformadores de potência em 2,86%, perfazendo

aproximadamente um montante de 35 anos para sua depreciação total [3], não sendo

interessante para o investidor que a máquina não complete seu ciclo de vida, logo o

gerenciamento das manutenções deve ser eficaz, conservando o ativo durante todo seu ciclo

tarifário. Nesse contexto, torna-se imprescindível a existência de modelos que estimem com

fidelidade o ciclo de vida de um transformador em função de suas condições operacionais. Esse

trabalho tem como escopo contribuir com o desenvolvimento e/ou aprimoramento de modelos

de ciclo de transformadores de potência com especificidade a transformadores de subestações

de distribuição.

90


Conforme [2], os efeitos ocasionados da degradação do isolamento dos condutores do

enrolamento de um transformador em função do tempo e temperatura a que eram submetidos

já eram conhecidos antes de 1942. Porém, não existia um estudo específico que identificava

quais os níveis aceitáveis de carregamentos em transformadores de potência e seus

consequentes efeitos no ciclo de vida dessa máquina elétrica.

Em [4] é apresentado um modelo de custo do ciclo de vida, denominado Lyfe Cycle

Cost (LCC) para transformadores, no qual é levada em consideração a monetização ao longo

do tempo dos custos diretos e indiretos do ciclo de vida de um transformador, onde os custos

podem variar de 3 a 9 itens, dependendo da abrangência e profundidade do estudo.

Uma ferramenta de avaliação do ciclo de vida de um transformador é apresentada em

[5] trazendo uma abordagem específica em Smart Substation, onde a avaliação em tempo real

traz melhoras significativas neste contexto.

Abordagens envolvendo modelos térmicos do transformador são desenvolvidos em [6],

[7] e [8], melhorando toda metodologia de estimação térmica dos componentes internos do

transformador bem como do meio isolante.

Em [9] é apresentado os resultados de perda no ciclo de vida de transformadores em

função de componentes harmônicos presentes no sistema elétrico, tornando-se necessário a

avaliação do uso de novas teorias de potência, com abordagens de análises no domínio do

tempo, que possam contribuir com as novas condições de trabalhos que estes transformadores

são submetidos em função de não linearidade das atuais cargas com consequentes distúrbios de

qualidade de energia. Por outro lado, novas teorias de potência têm sido propostas por diversos

pesquisadores visando englobar em sua análise todos os fenômenos presentes na energia

elétrica. Umas das teorias estudadas para explicação desses fenômenos é a Teoria de Potência

Conservativa (CPT). Através da utilização dessa teoria é possível fazer a análise de circuitos

elétricos em condições não senoidais e assimétricas [10].


A metodologia será baseada na realização de uma modelagem físico/matemática de um

transformador de potência dentro das faixas mais usuais em subestações de distribuição de 5 a

40 MVA, empregando técnicas de análise baseadas na CPT para permitir a avaliação de

respostas temporais do modelo.

Através da modelagem serão extraídas funções que possibilitarão descrever o

comportamento ao longo do ciclo de vida de um transformador, o qual será comparado com

uma base de dados de um ciclo de vida de um transformador real.

No projeto serão utilizados como ferramentas softwares e ferramentas de simulação, de

forma a se obter respostas para o modelo em epigrafe deste projeto, de maneira que se possa

estabelecer uma previsão, ou curva característica comportamental da máquina elétrica em

estudo. Após os estudos dos modelamentos concluídos e com as simulações realizadas, é

esperado poder contribuir com a todos os stakeholders, para base de novas ferramentas de

gestão do ativo elétrico, melhorias ou novas metodologias para avaliação de manutenção e ou

variáveis que devem ser levadas em consideração quando da avaliação do ciclo de vida do

transformador.


O trabalho em questão está em fase de desenvolvimento de levantamento bibliográfico,

91

ainda não possuindo propostas de melhorias ou modelos consolidados.

5 CONCLUSÕES

Espera-se com o desenvolvimento do projeto poder efetuar contribuições nas

metodologias de modelagem para estimar o comportamento do ciclo de vida do transformador

incluindo análises embasadas na CPT. Com os modelos consolidados e validados, espera-se

avalia-los através de uma ferramenta de diagnóstico computacional considerando um universo

maior de dados que os empregados para sua concepção. Com os resultados obtidos através de

cálculos, simulações e curvas, há a expectativa de contribuir com a elaboração de materiais

técnicos, abordando aspectos construtivos, dinâmicos, curvas características, comportamentos

frente a situações adversas, tendo como abordagem a utilização da CPT.


[1] M. PRADHAN e T. RAMU, “Criteria for estimation of end of life of power and station

trasnformer in service,” em Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric

Phenomena, 2004.

[2] W. J. MCNUTT e G. H. KAUFMANN, “Evaluation of Funcional Life Test Model for Power

Transformer,” IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, pp. 1151-1162, 5 May 1983.

[3] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL, MANUAL DE CONTROLE

PATRIMONIAL DO SETOR ELÉTRICO - MCPSE, 2015.

[4] Q. GUO-HUA, R. ZHENG, S. LEI, Z. Bo, X. JIAN-GANG e Z. XIANG-LING, “A New Life

Cycle Cost Model of Power Transformer and Its Comprehensive Sensitivity Analysis,” em International

Conference on Power System Technology (POWERCON 2014), Chengdu, 2014.

[5] J. L. P. BRITTES, E. NUNES, J. A. JARDINI, L. C. MAGRINI e P. KAYANO, “T&ERTTA,

Technical & Economical Real Time Transformer Assessmemnt: An Innovative Approach on Power

Transformer Life Cycle Management,” 2014.

[6] G. SWIFT, T. S. MOLINSKI e L. WALDEMAR, “A Fundamental Approach to Transformer

Thermal Modeling—Part I: Theory and Equivalent Circuit,” IEEE TRANSACTIONS ON POWER

DELIVERY, pp. 171-175, 2 APRIL 2001.

[7] S. DEJAN, M. LEHTONEN e H. NORDMAN, “Dynamic Thermal Modeling of Distribution

Transformers,” IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, pp. 1919-1929, 3 JULY 2005.

[8] D. SUSA e M. LEHTONEN, “Dynamic Thermal Modeling of Power Transformers: Further

Development—Part I,” IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, pp. 1961-1970, 4

OCTOBER 2006.

[9] A. ELMOUDI, M. LEHTONEN e H. NORDMAN, “Effect of Harmonics on Transformers Loss

of Life,” em IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2006.

[10] H. K. M. PAREDES, Teoria de Potência Conservativa: Uma Nova Abordagem para o Controle

Cooperativo de Condicionadores de Energia e Considerações Sobre Atribuição de Responsabilidades.

Tese de Doutorado. Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2011.

92

PROJETO DE UM INVERSOR MULTIFUNCIONAL PARA COMPENSAÇÃO DE

OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA INSTANTÂNEA

José de Arimatéia O. Filho


Prof. Dr. Helmo K. Morales Paredes

Orientador – Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba


Coorientador – Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba

Prof. Dr. Jakson Paulo Bonaldo

Coorientador – Departamento de Engenharia Elétrica – UFMT – Cuiabá

RESUMO

O objetivo principal deste trabalho é apresentar os termos básicos da Teoria da Potência

Conservativa (CPT) e sua aplicação para compensar oscilações da potência instantânea em

sistemas trifásicos a três condutores. Os sinais de referência para o conversor multifuncional

são derivados das características da potência instantânea e da energia reativa instantânea

definidas pela CPT, sendo que as componentes oscilantes de potência são definidas diretamente

no sistema de coordenadas a-b-c. A estratégia de compensação proposta é avaliada através de

simulações computacionais.

PALAVRAS-CHAVE: Compensação de Potência Instantânea, Conversores Multifuncionais,

Qualidade de Energia Elétrica, Teoria da Potência Conservativa.

1 INTRODUÇÃO

A geração de energia elétrica baseada em fontes de energia renováveis (FER) é uma

área que tem concentrado muitos esforços de pesquisa no Brasil e no mundo. Atualmente,

tecnologias baseadas em FER têm ofertado soluções cada vez mais atraentes para a integração

de recursos de energia distribuída. Entretanto, as FER, especialmente baseadas em sistemas

fotovoltaicos e eólicos, são altamente influenciadas por condições climáticas e suas

distribuições geográficas. Desta forma, um dos maiores obstáculos ocasionados pela

intermitência das FER e imprevisibilidade do consumo energético, são as oscilações de potência

instantâneas. Portanto, em uma microrrede trifásica de três condutores, os problemas de

qualidade de energia estão relacionados com as harmônicas, desequilíbrios e oscilações da

potência instantânea. Assim, este trabalho foca no problema da oscilação da potência

instantânea, a qual é suprimida por meio de um conversor eletrônico de potência (CEP)

trifásico. Para isso, propõe-se a utilização dos termos instantâneos de potência e energia reativa

definidos pela CPT (PAREDES, 2011), como uma forma alternativa e inovadora de projeto e

controle do CEP trifásico a três condutores.

2 METODOLOGIA

O emprego da CPT tem sido de extrema importância na identificação das parcelas de

potência/corrente que devem ser compensadas para redução de distúrbios nas redes. Nesta

teoria, o termo da potência instantânea é definido pelo produto escalar entre os vetores de tensão

93

(𝒗) e corrente (𝒊), enquanto a energia reativa instantânea é definida conforme (2), sendo um

vetor que contém as integrais imparciais das tensões de fase, calculado pela diferença entre a

integral de tempo e seu valor médio, como mostrado em (3)

𝑝(𝑡) = 𝒗 ∘ 𝒊 = [𝑣𝑎 𝑣𝑏 𝑣𝑐] ∘ [

𝑖𝑎

𝑖𝑏

𝑖𝑐

] (1)

𝑤(𝑡) = ∘ 𝒊 = [𝑎 𝑏 𝑐] ∘ [

𝑖𝑎

𝑖𝑏

𝑖𝑐

] (2)

𝑚 = ∫ 𝑣𝑚(𝜏)𝑑𝜏

𝑡

0

−1

𝑇∫ [∫ 𝑣𝑚(𝜏)𝑑𝜏

𝑡

0

] 𝑑𝑡

𝑇

0

(3)

Com o auxílio das expressões (1) e (2) calculam-se a potência ativa, 𝑃, em Watts e a

energia reativa, 𝑊, em Joules de acordo com as expressões (4) e (5), respectivamente.

Baseando-se nas definições em (4) e (5), a CPT decompõe as correntes de fase das cargas como

sendo a soma de cinco subcomponentes, as quais são: correntes ativas balanceadas, reativas

balanceadas, ativas desbalanceadas, reativas desbalanceadas e correntes residuais.

𝑝 =1

𝑇∫ 𝑝(𝑡)𝑑𝑡

𝑇

0

=1

𝑇∫(𝑣𝑎𝑖𝑎 + 𝑣𝑏𝑖𝑏 + 𝑣𝑐𝑖𝑐)𝑑𝑡

𝑇

0

= 𝑃 (4)

𝑤 =1

𝑇∫ 𝑤(𝑡)𝑑𝑡

𝑇

0

=1

𝑇∫(𝑎𝑖𝑎 + 𝑏𝑖𝑏 + 𝑐𝑖𝑐)𝑑𝑡

𝑇

0

= W

(5)

A estratégia para compensar as oscilações de potência instantânea pode ser obtida

através da decomposição de (1) e (2) com base em valores médios e oscilatórios. Portanto, os

termos instantâneos de potência e energia reativa definidos em coordenadas a-b-c resultam em,

respectivamente, (6) e (7), sendo que “” representa as componentes oscilatórias de cada termo

instantâneo. Ressalta-se ainda que as componentes médias, descritas por “–”, podem ser

extraídas conforme (4) e (5) e são válidas independentemente das formas de onda de tensão e

corrente.

𝑝(𝑡) = 𝑝 + 𝑝 (6)

𝑤(𝑡) = 𝑤 + (7)


A fim de validar a estratégia de compensação e o algoritmo de controle proposto para o

inversor multifuncional, foi simulado através do software PSIM® um circuito composto por

um CEP (CC/CA) com um filtro LCL na saída, uma carga trifásica não linear desbalanceada e

a rede elétrica. Em relação ao controle do sistema, projetou-se um controlador proporcional-

ressonante para a malha de corrente e um proporcional integral para a malha de tensão do CEP

(BONALDO, 2015). O objetivo da simulação é mostrar a eficácia do método para atingir

potência instantânea constante. A seguir são apresentados os resultados de simulação para o

conversor funcionando apenas como filtro ativo de potência (FAP), visto que o projeto está em

fase de desenvolvimento. Para os resultados da Fig. 1-a, considera-se uma carga linear

desequilibrada (CLD). Nesta configuração, o CEP está programado para compensar apenas as

componentes oscilatórias de potência. Nota-se que, para t < 1,2 s, o FAP está desligado e as

correntes pela rede (𝑖𝑔𝑎, 𝑖𝑔𝑏 e 𝑖𝑔𝑐) são senoidais, porém desequilibradas, analogamente com as

tensões em relação ao ponto virtual (𝑣𝑃𝐴𝐶−𝑎, 𝑣𝑃𝐴𝐶−𝑏 e 𝑣𝑃𝐴𝐶−𝑐). Com o acionamento do FAP

94

em t > 1,2 s, a corrente pela rede torna-se equilibrada, devido a ação das correntes instantâneas

injetadas pelo filtro (𝑖𝑔𝑎, 𝑖𝑔𝑏 e 𝑖𝑔𝑐). Como a carga é do tipo indutiva, a corrente compensada

continua atrasada em relação tensão, uma vez que a energia reativa média (𝑔) não está sendo

compensada. Por outro lado, tanto a potência oscilatória (𝑝𝑔) quanto a energia reativa

oscilatória (𝑔) vistas na rede são praticamente anuladas pela ação do FAP. Os resultados da

Fig. 1-b, provém de um sistema composto por uma CLD e por um retificador trifásico a diodos

com carga capacitiva. Observa-se que antes da compensação (t < 1,2 s) a distorção harmônica

da corrente produz uma oscilação não senoidal nas componentes oscilatórias (𝑝𝑔 e 𝑔).

Contudo, com o acionamento do CEP, operando como FAP, em t > 1,2 s, tanto o desequilíbrio

quanto a distorção harmônica da corrente pela rede são compensados, o que leva à eliminação

das componentes de potências oscilatórias.

Figura 12 – (a) Sistema simulado com CLD, (b) Sistema simulado com carga não linear

desequilibrada

4 CONCLUSÕES

Neste trabalho foi apresentada uma estratégia de compensação de oscilações de potência

instantânea, a qual é baseada nos termos instantâneos e CPT. Verificou-se que a estratégia de

compensação proposta permite que sistemas de potência operem com potência instantânea

constante, mesmo para diferentes configurações de cargas desbalanceadas lineares e/ou não

lineares.


PAREDES, H. K. M. Teoria de Potência Conservativa: Uma nova Abordagem para o Controle

Cooperativo de Condicionadores de Energia e Considerações sobre Atribuição de

Responsabilidades. 2011. 221p. Tese (Doutorado) — FEEC/UNICAMP, 2011.

BONALDO, J. P. Multifuncionalidade de Conversores Eletrônicos de Potência Utilizados em

Microrredes Inteligentes. 2015. 160p. Tese (Doutorado) — FEEC/UNICAMP, 2015.

95

UM SISTEMA DE COLHEITA DE ENERGIA VIA MÉTODO DE

CARDANO TARTAGLIA

Daniel Zarpelão Porcel



Orientador – Depto. De Matemática – Unesp – Bauru

Prof. Dra. Célia Aparecida dos Reis

Coorientadora – Depto. De Matemática – Unesp – Bauru

RESUMO

Nos dias atuais a produção e o consumo de energia são fatores importantes para todas as

atividades humanas, sendo elas para meios sociais como profissionais e que com isso há uma

grande demanda global a ser atendida. Esse aumento da demanda global faz com que seja visado

um aumento do estudo da colheita de energia (“energy harvesting”), isto é, estudo de

dispositivos que colhem tipos de energia disponíveis no ambiente (energia eólica, energia

associado às ondas do mar, energia solar, energia térmica, por exemplo) e faz a conversão destas

em energia elétrica utilizável, que pode ser armazenada ou utilizada diretamente. Para este

trabalho, é apresentado o estudo de um sistema de colheita de energia modelado por equações

diferenciais ordinárias não lineares e que foi investigado e com soluções pré-determinadas

através da técnica de Cardano Tartaglia.

PALAVRAS-CHAVE: Sistema de Colheita de Energia, Cardano Tartaglia.

1 INTRODUÇÃO

Nos dias atuais o uso de tecnologia tem se tornado cada vez mais importante e em grande

quantidade, fazendo com que a demanda global aumente constantemente, sendo ela em vários

aspectos como transporte, processos industriais, lazer, entre outros. Dessa maneira, consiste em

dois tipos de energia sendo elas denominadas como energias de fontes renováveis e não

renováveis.

As renováveis são aquelas que têm precedentes naturais como a energia solar, eólica,

hidráulica. Porém as não renováveis são aquelas determinadas por fontes como o petróleo,

carvão, energia nuclear e que tem um fornecimento limitado, sendo que um dia se esgotará.

Com o uso dessas energias não renováveis serem cada vez maior, a preocupação

aumenta cada vez mais, o que fez com que crescesse o estudo de “energy harvesting” (colheita

de energia). Esse estudo consiste na transformação de energia proveniente de fontes naturais

em energia elétrica. Essa transformação é feita através da conversão de energia mecânica, criada

por uma fonte de vibração do ambiente, conforme visto em Iliuk (2011).

Nesse trabalho, é apresentado um sistema de colheita de energia de um material

pizoelétrico estudado por Ghoulli (2016) e a partir dele é feita a resolução desse sistema por

uma equação desenvolvida pelo método Cardano Tartaglia, devido às características extraídas

do modelo proposto e sua equivalência com uma equação polinomial do 3º grau.


Mesmo com o desenvolvimento das técnicas de análise e controle de sistemas lineares,

96

a busca para análise de sistemas não lineares está em expansão. Um exemplo disso são as

técnicas baseadas na teoria de Lyapunov e métodos de linearização exata, estudados em Isidori

(1995), Silva (2003), Slotine (1991). Neste trabalho, o sistema não linear apresentado é baseado

no trabalho de Ghoulli (2016) e de Arbex (2016). Além disso, foi estudado e encontrado

soluções pré-definidas pelo método de Cardano Tartaglia.


Em nosso trabalho, será considerado um sistema de colheita de energia modelado por

equações não lineares, descrito com os elementos de modo que x(t) é o deslocamento relativo

da massa rígida m, v(t) é a voltagem de resistência, δ é a taxa de amortecimento mecânico, γ é

o parâmetro de rigidez, X é o termo de acoplamento piezoelétrico na equação mecânica, k é o

termo de acoplamento piezoelétrico no circuito elétrico, β constante de tempo do circuito

elétrico, α é o ganho e τ o tempo de atraso, enquanto f e λ são respectivamente a amplitude e a

frequência de excitação, conforme estudado por Ghouli (2016) e Arbex (2016) e descrito a

seguir: 2 3 (t)

0(t) (t) (t) x(t) (t ) f cos( t) (1)

(t) (t) k (t) 0 (2)

vx x x X x

v v x

A partir desse sistema, o autor Ghoulli (2016) fez alguns estudos e utilizou uma técnica de

multiplicação escalar, de modo que com todas as substituições aderidas pelo autor, transformasse em

um novo sistema de equações diferenciais de primeira ordem, da seguinte maneira:

1

0 0

332

0 0 0

sin( )2 2

. (3)

cos( )2 2 2

Cda fa

dt

CCd fa a a

dt

Na próxima seção, será apresentado os cálculos feitos através do método do Cardano Tartaglia,

ao invés de utilizar o método Quase-Periódico conforme feito pelo autor.


Para transformar um sistema de equações diferenciais em uma equação de Cardano

Tartaglia, é necessário fazer alguns procedimentos que serão essenciais, sendo o primeiro deles,

a determinação dos seus pontos críticos do sistema (3), considerando da

dt=

d

dt

= 0. Assim, é

possível aplicar a resolução na primeira linha do sistema (3) e obter:

2 2 2

11

1

( ), ( ) , cos( ) . (4)f C aCf

a sen sen aC f f

Substituindo o valor do 2 2 2

1cos( )f C a

f

na segunda linha do sistema, obtém-se

uma equação do 6º grau da forma:

2 6 4 2 2 2 2

3 2 3 1 22 ( ) 0. (5)C a C C a C C a f

97

Para utilizar o método Cardano Tartaglia é feita uma substituição de variáveis e

encontrando a equação:

3 2 0. (6)x Ax Bx C

A equação polinomial expressa em (6), pode ser desenvolvida através do método

Cardano Tartaglia e feitas algumas substituições de variáveis, de modo que encontramos as

raízes de acordo com o seu discriminante, podendo ser 0D e encontrando os seguintes

valores:

3 3 36 6

1 2

36

3

arccos arccos 22 2

, então: 2 cos ; 2 cos ;27 2727 3 3 3 3

arccos 42

2 cos .27 3 3

q qpi

p A Ar rp pr r r

qpi

Arpr

Caso contrário:

2

1 2,3

4( ) ( )

Se D 0: ; .2

CA x x A

xr x r

As variáveis determinadas nas raízes são todas desenvolvidas através de substituições feitas no

método de Cardano Tartaglia. As raízes r1, r2 e r3 determinadas, devem ser reescritas da maneira que

as substituições foram feitas, de modo que, é possível encontrar o resultado de cada variável expressa

em todo o sistema e a partir disso, obterem-se as soluções exatas das equações não lineares definidas

em (3). Pré-cálculos dessas soluções foram realizados até aqui e a partir disso, o objetivo é de determinar

de forma explicita essas soluções.

4 CONCLUSÕES

Foi realizada a análise de um sistema de colheita de energia modelado por Ghoulli

(2016) e que é possível ser expresso por uma equação polinomial de grau 3, no qual foi

desenvolvida e determinada as soluções pelo método de Cardano Tartaglia. As raízes

encontradas são possíveis soluções exatas do sistema.

Para continuidade do estudo, será feita as substituições necessárias de maneira que seja

possível encontrar a solução exata explicita do sistema de colheita de energia, definidos em (1)

e (2), em seguidas, os resultados serão comparados com os resultados obtidos pelo autor, o qual

utilizou o método quase-periódico para solucionar o sistema proposto, obtendo soluções bem

mais complexas do que pelo método Cardano Tartaglia. Depois disso, será feita simulações,

análises e comparações com resultados obtidos por Ghoulli (2016).


ARBEX, H. C. Análise dinâmica de um modelo matemático não-linear e não-ideal de um dispositivo MagLev

para a coleta de energia do meio ambiente. Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Mecânica da Faculdade de Engenharia de Bauru – UNESP, 2016.

GHOULI, Z., et al. "Energy harvesting in a delayed and excited Duffing harvester device." MATEC Web of

Conferences. Vol. 83. EDP Sciences, 2016.

98

ILIUK, I., et al. On a Vibrating Model of Energy Harvest, with Nonlinear Piezoelectric Coupling and Excited

by a Non-ideal Motor Proceedings of 11th Conference on Dynamical Systems Theory and Applications,

Lodz, Poland, p.391-396, ISBN: 978-83-7283-448, 2011.

SILVA, G. V. M. Controlo Não Linear, Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, Lisboa, 2003.

SLOTINE, J.; LI, W.. Applied Nonlinear Control. New Jersey: Prentice Hall, 1991.

99

TÉCNICA DE DETECÇÃO DE CORRENTE NULA PARA APLICAÇÕES EM

CONVERSORES BOOST OPERANDO EM MODO DE CONDUÇÃO CRÍTICA

Marcelo Nogueira Tirolli


Prof. Dr. Flávio Alessandro Serrão Gonçalves

Orientador – Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba – Unesp – Sorocaba

RESUMO

Este trabalho apresenta o estudo de uma técnica para detectar a corrente nula no indutor (DCNI),

sem a utilização direta de sensores de corrente, para aplicações em conversores Boost operando

no modo de condução crítica (MCR). A técnica é baseada no monitoramento da forma de onda

da tensão no indutor para detectar eventos que estão relacionados com o advento da corrente

sobre o indutor apresentar valor nulo, delimitando o comando para acionar o interruptor

principal do conversor Boost operando no MCR. Uma análise das formas de condicionamento

dos sinais para que se enquadrem dentro de faixas compatíveis com tecnologias é apresentada.

PALAVRAS-CHAVE: conversor Boost, operação no modo de condução crítica, detecção de

corrente nula.

1 INTRODUÇÃO

O conversor Boost tem a finalidade de converter uma tensão de entrada (Vin) em uma

tensão de saída (Vout) com amplitude maior que a da entrada, sendo amplamente empregado,

por exemplo, em sistemas de energias renováveis (HSIEH et al., 2011). Baseado na

característica da forma de onda da corrente através do indutor (iL), o conversor Boost pode

operar no Modo de Condução Contínua (MCC), Modo de Condução Descontínua (MCD) ou

Modo de Condução Crítica (MCR) (WANG et al., 2017).

Em MCC a forma de onda de corrente iL apresenta sempre valores superiores a zero, o

que faz com que o interruptor e o diodo tenham que suportar elevados esforços de tensão por

entrarem em condução de forma dissipativa, além de perda referente a recuperação reversa do

diodo. Já em MCD, o interruptor entra em condução com corrente nula e o diodo bloqueia com

derivada suave de decaimento da corrente. Em contrapartida, a corrente de pico no indutor

apresenta valores superiores a duas vezes o seu valor médio. Em MCR, o interruptor entra em

condução no momento que ocorre a extinção total de iL, sendo necessário uma técnica para

DCNI. A corrente iL continua apresentando característica pulsante como no MCD, porém com

um menor esforço de pico em função da ausência da descontinuidade (GROTE et al., 2011).

Desta forma, a detecção do evento de forma antecipada leva o conversor a operar em

MCC, e a detecção do evento de forma atrasada leva a operação em MCD. Neste contexto,

considerando a importância da DCNI para a operação do conversor Boost no MCR, este

trabalho tem por objetivo apresentar o estudo de uma técnica de DCNI, sem o uso de sensores

de corrente, aplicada a um conversor CC-CC Boost operando em MCR e controlado por um

sistema digital.

2 DETECÇÃO DE CORRENTE NULA

Para o conversor operar em MCR, o sistema de controle de chaveamento segue

basicamente a estrutura apresentada na Figura 1, composta pela atuação de um flip-flop

100

conectado ao interruptor (S) do conversor. Na entrada Set (S), que ativa o interruptor emprega-

se a técnica de DCNI, enquanto na entrada Reset (R), que desativa o interruptor, pode estar

conectado um sistema de controle baseado em modo tensão ou corrente (TANG et al., 2010).

Uma forma de DCNI é através do monitoramento direto da corrente no indutor que pode

ser feito por sensores shunt ou de efeito Hall. Como desvantagens, podem afetar fortemente o

rendimento do conversor (shunt) e/ou apresentar custo elevado (hall) (WANG et al., 2017).

Além da observação direta da corrente, outras técnicas indiretas podem ser aplicadas

para detectar o momento que a corrente se torna nula no indutor. Observando o comportamento

da forma de onda da tensão no indutor (vL), alguns eventos podem ser utilizados para detectar

o momento que a corrente no indutor se anula. Durante o período de condução do interruptor,

vL permanece praticamente com o valor da entrada (Vin), considerando na forma ideal. Quando

o interruptor deixa de conduzir, há uma inversão de polaridade na forma de onda de vL.

Desconsiderando as perdas, a queda de tensão no indutor é a diferença entre Vin e Vout. A forma

de onda vL se mantém nestas condições até o indutor descarregar totalmente a energia, quando

então o diodo entra em bloqueio. Neste momento, ocorre um evento, onde vL apresenta uma

elevada derivada de crescimento, evoluindo para apresentar valor nulo caso o interruptor não

seja acionado (MCD), ou retornando ao valor de Vin se o interruptor for acionado no momento

que ocorre o evento (MCR) (GROTE et al., 2011). A Figura 2 apresenta o comportamento de

iL(t) e vL(t) para os MCD e MCR, com a indicação do evento de corrente nula.

Para detectar a derivada de crescimento é necessário condicionar o sinal para

valores menores adequando-o dentro do limite das faixas de valores aceitáveis conforme

tecnologia adotada. Uma forma de atenuar vL e ainda prover isolação consiste na utilização de

um enrolamento secundário no indutor do conversor Boost, o qual através da relação pode-se

obter valores próximos ao desejado. Sistemas de controle na forma digital a partir de

conversores analógicos/digitais (ADC) podem ser aplicados para a detecção do evento,

apresentando vantagens como controle flexível, maior imunidade a ruídos, menor depreciação

e quantidade de componentes (KIM; YOUN; MOON, 2015)

3 METODOLOGIA

O estudo da técnica de DCNI foi realizado no ambiente MATLAB/Simulink. As

características do conversor CC-CC Boost adotadas são: Vin = 127V, Vout = 400V, Potência de

180W a 430W, Carga de 370Ω a 900Ω, frequência de chaveamento (fSW) de 30 kHz a 70 kHz,

Capacitor (C) de 0,47 µF e Indutor (L) de 440µH. O condicionamento do sinal foi feito para

ser aplicado em um ADC de 8 bits, com faixa de excursão de 0 a 5V.

4 DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS

A Figura 3 apresenta o diagrama de blocos para a implantação da técnica de DCNI

através de vL. O bloco A atenua o sinal de vL através da bobina auxiliar do indutor, além de

Fig. 2 - Comportamento dos sinais iL(t) e vL(t) em

MCD e MCR.

Fig. 1 - Sistema de controle de

chaveamento do Boost.

101

filtrar o sinal para não apresentar um reflexo de componentes de alta ordem. O bloco B deve

eliminar a parcela negativa do sinal através de um diodo ou de um circuito somador, o qual

adiciona um nível CC. Por fim, O bloco C corresponde ao ADC, onde se define a taxa de

amostragem (fSR), resolução e a faixa de aquisição. Tomando as características do conversor

mencionadas na seção 3 e considerando um conversor de 8 bits (256 estados), fSR = 1.000kHz,

interpretação no formato inteiro, faixa de excursão de 0 a 5V, estado a ser detectado quando vL

= 3,5V, fSW = 50kHz, fazendo uma escala de relação entre tensão x estados do ADC, chega-se

que o estado 182 (1011 0110) representa que a corrente no indutor é nula. A Figura 4 mostra o

comportamento característico das formas de onda de vL e iL do conversor Boost operando em

MCR ao longo das etapas para DCNI.

4 CONCLUSÃO

Este trabalho abordou o estudo de uma técnica de DCNI, sem a utilização direta de

sensores de corrente, aplicada a conversor Boost operando em MCR. Através do

monitoramento do comportamento de vL, constatou-se que quando iL se anula, vL apresenta uma

elevada derivada de crescimento, o qual este evento pode ser condicionado e detectado através

da saída do conversor ADC, fazendo o conversor operar em MCR. Como o evento detectado

ocorre uma única vez por período, quanto maior a taxa de amostragem, menor o tempo de

detecção. Durante o estudo, constatou-se que para fSR inferiores a 200 kHz, o sinal de vL fica

descaracterizado, impossibilitando a detecção do evento. Uma forma de contornar esta

necessidade é utilizar o pino dos dispositivos digitais alimentado pelo sinal de clock que

apresentam elevada frequência.


GROTE, T. et al. Digital control strategy for multi-phase interleaved boundary mode and DCM

Boost PFC converters. In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011

IEEE. IEEE, 2011. p. 3186-3192.

HSIEH, Yi-Ping et al. A novel high step-up DC–DC converter for a microgrid system. IEEE

Transactions on Power Electronics, v. 26, n. 4, p. 1127-1136, 2011.

KIM, Jong-Woo; YOUN, Han-Shin; MOON, Gun-Woo. A digitally controlled critical mode

Boost power factor corrector with optimized additional on time and reduced circulating losses.

IEEE Transactions on Power Electronics, v. 30, n. 6, p. 3447-3456, 2015.

TANG, Shi-Huang et al. A new on-time adjustment scheme for the reduction of input current

distortion of critical-mode power factor correction Boost converters. In: Power Electronics

Conference (IPEC), 2010 International. IEEE, 2010. p. 1717-1724.

WANG, Jizhe et al. A Novel Predictive Digital Controlled Sensorless PFC Converter under the

Boundary Conduction Mode. Journal of Power Electronics, v. 17, n. 1, p. 1-10, 2017.

Fig. 3 - Diagrama de blocos para DCNI

Q

QSET

CLR

S

R

Eliminar Parcela

Negativa

Atenuação e

anti-aliasingVL

Interruptor

Conversor AD

A B C

Fig. 4 - Comportamento de iL e vL.

102

RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS MULTIOBJETIVO DE DESPACHO ECONÔMICO

E AMBIENTAL EXPLORANDO MÉTODOS DE PROGRAMAÇÃO POR METAS.

Matheus Murback Angelo


Prof. Dr. Antonio Roberto Balbo

Orientador – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru

Dr. Ricardo Bento Nogueira Mori Pinheiro

Co-orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

RESUMO

Neste trabalho são apresentadas técnicas de Goal programming com intuito de resolver o

problema multiobjetivo de Despacho Econômico e Ambiental (PMDEA) de geração de energia.

Essas técnicas consistem na aplicação da norma-LP a qual inclui a métrica de Chebyshev nas

funções objetivo do PMDEA. Propomos uma nova e equivalente formulação para o problema.

Resolvemos o problema equivalente pelo método de pontos interiores/exteriores com barreira

logarítmica modificada. O método é implementado em MATLAB R2017b e aplicado em

problemas já divulgados na literatura para comparação de resultados.

PALAVRAS-CHAVE: Goal Programming, Otimização Não-Linear, Despacho Econômico e

Ambiental.

1 INTRODUÇÃO

Os Problemas de Despacho Econômico (PDE) e os Problemas de Despacho Ambiental

(PDA) são problemas de otimização restritos e não-lineares próprios da área de sistemas

elétricos de potência. Contudo, a maioria dos problemas de despacho era formulada a fim de

minimizar uma função objetivo quadrática, ora minimizando custos, ora minimizando emissão.

Porém, os custos e as emissões podem ser combinados em uma única função objetivo. A esse

novo problema é definido por problema multiobjetivo de Despacho Econômico e Ambiental

(PMDEA).

A função objetivo do PMDEA é quadrática e as funções (função Econômica e função

Ambiental) componentes são conflitantes, isto é, quando a função Econômica é minimizada

temos que a função ambiental é maximizada e vice-versa. O conjunto das soluções do PMDEA

são chamadas Pareto-Eficientes. Podemos reformular o PMDEA equivalentemente por meio de

técnicas como ε-restrito e soma-ponderada, e assim aplicar um método de otimização

determinístico para resolver o problema equivalente.

O Goal Programming é uma metodologia para a resolução de problemas multiobjetivo

da área da otimização que encontra soluções de problemas que não contem apenas funções

objetivo, mas contém também várias metas que se deseja atingir. Este requer um procedimento

de solução iterativa pela qual um tomador de decisão escolherá uma das soluções fornecidas

que o satisfaça da maneira desejada.

O objetivo deste trabalho é aplicar técnicas de Goal Programming no PMDEA para a

formulação de um novo problema e resolve-lo pelo método de pontos interiores/exteriores com

barreira modificada, afim de obter-se boas soluções Pareto-Eficientes (ou soluções de

compromisso).

103


A filosofia baseada em metas foi formalizada no campo moderno de pesquisa

operacional e ciência de gestão pela técnica de Goal Programming. A formulação mais antiga

de programação por metas foi introduzida por Charnes et al. (1955) no contexto da remuneração

dos executivos, onde este foi visto como uma adaptação para a programação linear.

Uma teoria formal sobre Goal Programming é dada por Charnes e Cooper (1961). O

desenvolvimento ocorreu posteriormente por Ijiri (1965), livros didáticos de Lee (1972) e

Ignizio (1976). Estes autores apresentaram técnicas como uma ferramenta para resolução de

problemas na área de pesquisa operacional. Isso levou a um grande número de aplicações sendo

relatadas na literatura desde meados da década de 1970 em diante.


Nesta seção é apresentada uma formulação de Goal Programming a fim de resolver o

PMDEA com pontos de carregamento de válvula. Esta formulação é dada por:

1/

1 2

Min Min

Min

Min

1

min

.

, 0

pp p

E A

E A

E i E E

A i A A

n

i

i

Min Max

i i i

E A

v d v d

c c

s a f Pg d f

f Pg d f

Pg D

Pg Pg Pg

d d

Tal que:

- p : Parâmetro positivo que deve ser maior do que 1;

- ,E Af f : Funções custo de despacho econômico e de despacho ambiental,

respectivamente;

- ,Min Min

E Af f : Custos mínimos de cada função objetivo;

- ,E Ad d : Desvios relacionados aos custos das funções objetivo;

- 1 2,v v : Parâmetros de peso relacionados aos desvios dos custos, onde estes são

positivos e sua soma deve resultar em 1;

- iPg : Potência gerada em cada unidade geradora i;

- ,Min Max

i iPg Pg : Potência mínima e potência máxima gerada em cada unidade

geradora i;

- D : Demanda de geração a ser atendida.


O referencial teórico sobre o PMDEA é conforme Gonçalves (2015). O principal

referencial teórico sobre Goal Programming deste trabalho de acordo com Jones e Tamiz (2010)

acompanhado dos trabalhos apresentados na revisão bibliográfica. O método da função

104

barreira logarítmica modificada é embasada no trabalho de Polyak (1992) e de Pinheiro (2015).

4 CONCLUSÕES

O método é implementado em MATLAB R2017b e aplicado em problemas já

divulgados na literatura com o intuito de comparação de resultados.

Neste trabalho é apresentado uma formulação de Goal Programming para resolver o

problema multiobjetivo de Despacho Econômico e Ambiental (PMDEA) sobre geração de

energia. A continuidade da pesquisa consiste em aplicar um método do tipo barreira modificada

para resolve-lo. Os resultados futuros serão comparados com outros resultados conhecidos na

literatura.

Esperamos que os resultados comparados indiquem que a abordagem é robusta e

competitiva com outras.


CHARNES, Abraham; COOPER, William W.; FERGUSON, Robert O. Optimal estimation of

executive compensation by linear programming. Management science, v. 1, n. 2, p. 138-151,

1955.

CHARNES, Abraham; COOPER, William Wager. Management models and industrial

applications of linear programming. 1961.

GONÇALVES, Elis. Métodos híbridos de pontos interiores/exteriores e de aproximantes de

funções em problemas multiobjetivo de despacho econômico e ambiental. 2015.

JONES, Dylan; TAMIZ, Mehrdad. Practical goal programming. International series in

operations research and management science. 2010.

IGNIZIO, James P. Goal programming and extensions. Lexington Books, 1976.

IJIRI, Yuji. Management goals and accounting for control. North Holland Pub. Co., 1965.

LEE, Sang M. et al. Goal programming for decision analysis. Philadelphia: Auerbach

Publishers, 1972.

PINHEIRO, Ricardo Bento Nogueira et al. Interior–exterior point method with global

convergence strategy for solving the reactive optimal power flow problem. International

Journal of Electrical Power & Energy Systems, v. 66, p. 235-246, 2015.

POLYAK, Roman. Modified barrier functions (theory and methods). Mathematical

programming, v. 54, n. 1-3, p. 177-222, 1992.

105

METODOLOGIA PARA DESAGREGAÇÃO DE CARGAS EM INSTALAÇÕES

RESIDENCIAIS ATRAVÉS DE MEDIDORES COGNITIVOS DE ENERGIA

Felipe Leite Paes




Prof. Dr. Wesley Angelino de Souza

Coorientador – Engenharia Elétrica e Computação – Unicamp – Campinas

RESUMO

As chamadas Redes Inteligentes de Energia indicam para uma nova arquitetura em sistemas de

distribuição de energia elétrica, a qual deve se consolidar nas próximas décadas, em um cenário

repleto de dispositivos e sistemas dotados de “inteligência”. Neste cenário, a possibilidade de

comunicação bidirecional entre o usuário e a rede de energia elétrica será imprescindível para

a integração dos vários dispositivos, agentes de medição e monitoramento em uma Rede

Inteligente. Atualmente, os medidores inteligentes de energia, possibilitam a integração e

comunicação dos dispositivos numa rede de dados e facilita a atuação de uma Rede Inteligente

de Energia. Assim, esse trabalho apresenta um estudo sobre a aplicação de técnicas de

Desagregação de Cargas utilizando Sistema de Monitoramento Não Intrusivo para um cenário

de Instalação Residencial Bifásica e Trifásica.

PALAVRAS-CHAVE: Redes Inteligentes de Energia, Medidores Inteligentes de Energia,

Medidores Cognitivos de Energia.

1 INTRODUÇÃO

A evolução dos medidores inteligentes de energia vem ocorrendo através da

implementação de técnicas modernas de tratamento de dados, dentre elas os métodos de

desagregação de cargas, levando ao conceito de Medidores Cognitivos de Energia

(MAKONIN; POPOWICH; GILL, 2013).

Souza (2016) demonstrou a aplicabilidade da técnica não intrusiva para a desagregação

de cargas em instalações elétricas residenciais com cargas monofásicas. Assim, esse trabalho

apresenta o estudo e aplicabilidade das técnicas propostas por Souza (2016), expandindo-as

para cenários com cargas bifásicas e trifásicas, bem como uma reavaliação da metodologia.


Com a existência do usuário prossumidor no cenário de compra e venda de energia

elétrica, com a popularização das redes inteligentes de energia e a necessidade do fornecimento

de informações adicionais sobre a energia elétrica, entendeu-se a necessidade da existência de

comunicação bidirecional no medidor. Essa evolução do medidor eletrônico ganhou o nome de

medidor inteligente (QUEEN, 2011), (GARCIA; SOUZA; MARAFAO; SILVA, 2017).

Para SOUZA (2016), os medidores cognitivos são medidores que possuem a

comunicação bidirecional (medidores inteligentes) e também a capacidade de desagregação de

cargas, característica que pode contribuir para proposição de estratégias de controle de consumo

em uma instalação ou parâmetro de decisão para responder a uma política de controle de




106

demanda de energia.

O novo cenário que vem sendo estudado em redes de energia leva em conta as

tendências do mercado de energia, com novas políticas de tarifação e de consumo otimizado,

sobretudo a eficiência energética. Através dessas possibilidades, os medidores cognitivos de

energia devem possuir espaço nas aplicações, pois com infraestrutura de comunicação aliada à

capacidade de realizarem a desagregação do consumo de energia elétrica, vão permitir a

inclusão do consumidor no cenário de gestão de energia elétrica, controlado anteriormente

apenas pelos agentes concessionários e distribuidores de energia elétrica (MAKONIN;

POPOWICH; GILL, 2013).


A metodologia utilizada nesse trabalho tem como base a construção de um modelo de

simulação, referente a cada uma das cargas em análise. As cargas foram modeladas através de

esquemáticos de funcionamento e dados coletados através de medições reais com cargas

bifásicas e trifásicas, em instalações elétricas residenciais. As medições foram realizadas

através de um medidor de qualidade de energia elétrica da Schneider ION7650, que consegue

apresentar grandezas de tensão, corrente, potências, e decomposição harmônica de corrente. Os

modelos de cargas utilizados variam como: R, RL, fontes de correntes (representação de cargas

com correntes harmônicas) e circuitos chaveados.

Através dos modelos, na plataforma de simulação do PSIM 9.1, foi implementado um

bloco de função para extrair os parâmetros (atributos) que vão compor a base de dados das

cargas, sendo responsáveis por representar as características das respectivas cargas num espaço

multidimensional.

Além dos atributos utilizados em SOUZA (2016), também foram adicionados três

atributos que visam dar subsídios para a caracterização das cargas, gerando mais possibilidade

de separação das cargas no espaço avaliado pelo algoritmo. Os atributos propostos baseiam-se

na análise da variação instantânea da corrente elétrica, como também na taxa de distorção da

corrente da carga.

A partir desses dados foi realizado um pré-processamento de dados para indicar quais

parâmetros são representativos para identificação das cargas que vão compor a base de dados

que será operacionalizada pelo algoritmo classificador. O algoritmo utilizado foi o método K-

enésimo vizinho mais próximo (do inglês, KNN - K-Nearest Neighbor), que não necessita de

treinamento e opera classificando e rotulando cada amostra de acordo com a classe que mais se

assemelha entre os k vizinhos mais próximos no espaço multidimensional.

De maneira a preservar a metodologia proposta em SOUZA (2016), foi implementado

um detector de eventos com sensibilidade de detecção do tipo de carga na instalação, partindo

das possibilidades: carga trifásica, carga bifásica e monofásica. Como parâmetro para

identificação, o sistema possui monitoramento instantâneo das fases, como também da corrente

do neutro. Através da análise de simultaneidade, toma decisões e inicia o processo de

classificação de carga. Para cargas monofásicas, a metodologia anterior mantém ativa e possui

desempenho para atender a desagregação de cargas, para os casos bifásico e trifásico, a base de

dados é diferente, sendo parte da contribuição desse trabalho.

4 RESULTADOS

Os resultados coletados na implementação desses dados podem ser apresentados

sob algumas perspectivas: analisando a pertinência dos atributos definidos para representação

das cargas, a pertinência do método desenvolvido para detecção de simultaneidade de inserção

107

de cargas em diferentes fases, com diferentes estratégias para cada caso, e finalmente a análise

do desempenho do classificador utilizado para desagregar cargas bifásicas.

Após o pré-processamento dos dados e com a definição dos atributos das cargas, é

possível observar que são representativos no espaço multidimensional e cooperam para a

desagregação de cargas.

O método proposto no trabalho foi implementado parcialmente e está em etapa de

simulações, no momento ainda apresenta algumas oscilações na etapa de classificação no

âmbito das cargas bifásicas. Através da observação do método utilizado nesse trabalho, foi

verificado que a robustez do sistema pode estar vulnerável ao tamanho da base de dados, nesse

caso pode estar muito pequena para o tipo de algoritmo utilizado. A estratégia utilizada para

melhorar o desempenho do sistema está sendo aumentar o número de simulações, visando

aumentar o tamanho da base de dados.

5 CONCLUSÕES

Observou-se que para expansão do método proposto em Souza (2016) para um medidor

cognitivo trifásico, pode-se analisar o método de detecção de simultaneidade nos degraus de

corrente em cada fase e no condutor de retorno, gerando um classificador para cada caso

identificado.

A supervisão das cargas que estão acopladas no sistema em tempo real pode ser

representada por uma máquina de estado, composta por combinações de situações que vão

ocorrendo no decorrer do tempo em medição, tanto na inserção de cargas, como também nos

casos de desligamento de cargas.


GARCIA F. D., SOUZA W. A., MARAFAO F. P., SILVA L. C. P.; Power Metering: History

and Future Trends. 9th Annual Green Technologies Conference (IEEE GreenTech), 2017.

MAKONIN, S.; POPOWICH, F.; GILL, B.; The Cognitive Power Meter: Looking Beyond the

Smart Meter. School of Computing Science, SFU Technology Centre, BCIT. Canadian

Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE). 2013.

QUEEN, E. E., Smart Meters and Smart Meter Systems: A Metering Industry Perspective. An

EEI-AEIC-UTC White Paper. EEI. Washington, D.C. Março de 2011.

SOUZA, W. A.; Estudos de Técnicas de Análise e Tecnologias para o Desenvolvimento de

Medidores Inteligentes de Energia Residenciais. UNICAMP. Campinas, São Paulo. 2016.




108

MODELO DE COORDENAÇÃO ESTOCÁSTICA EM DOIS ESTÁGIOS PARA

MERCADOS POOL DE ELETRICIDADE DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS

Gabriela Fernanda Bregadioli


Prof. Adj. Leonardo Nepomuceno


Profa. Adja. Edméa Cássia Baptista

Coorientadora – Depto de Matemática – Unesp – Bauru

RESUMO

Neste trabalho propomos um modelo de coordenação hidrotérmica, via programação

estocástica linear em dois estágios, para mercados pool de eletricidade em que as decisões de

curto e médio prazo são levadas em conta em um único modelo. No primeiro estágio adota-se

um modelo de leilão de energia multiperíodo com representação linear da transmissão, que

consiste em obter o ponto de equilíbrio para o mercado de energia de curto prazo, bem como

despacho hidrotérmico da geração para cada hora do seguinte. O segundo estágio consiste em

resolver um modelo de programação da geração e obter as participações hidroelétricas e

termoelétricas para cada mês do horizonte de médio prazo. Para validação do modelo, testes

computacionais são realizados considerando um sistema hidrotérmico fictício, criado a partir

da cascata da Bacia do Paranapanema acoplada ao sistema IEEE 24 barras.

PALAVRAS-CHAVE: mercados de energia, coordenação hidrotérmica, programação

estocástica.

1 INTRODUÇÃO

Este trabalho considera um problema de coordenação entre o planejamento da geração

de médio prazo e a operação de curto prazo em mercados pool de eletricidade para sistemas

hidrotérmicos. Os tradicionais modelos centralizados (PADHY, 2004; OLIVEIRA, 2005),

foram substituídos por modelos de despacho descentralizados, tais como os modelos de leilão

utilizados pelos operadores de mercado (ARROYO, 2002; MOTTO 2002). A maioria dos

modelos propostos de leilão do dia seguinte é formulada para sistemas térmicos. Tais modelos

negligenciam qualquer tipo de estratégia de coordenação. Contudo, a coordenação é essencial

em sistemas hidrotérmicos, a fim de garantir a segurança e confiabilidade do sistema agora e

no futuro.

Este trabalho propõe uma abordagem de coordenação hidrotérmica para mercados de

energia do dia seguinte, em que as decisões de curto e médio prazo são levadas em conta em

um único modelo. Nesta abordagem, a coordenação hidrotérmica é formulada como um

problema de programação linear estocástico em dois estágios, em que a incerteza associada a

entrada de água é representada por um conjunto de cenários. O primeiro estágio consiste em

resolver um modelo de leilão de energia multiperíodo com representação linear da transmissão

e obter a programação da geração de energia para cada hora do dia seguinte. As decisões do

segundo estágio são tomadas com base na solução de um problema de planejamento da geração

de médio prazo.

Para avaliar o impacto da abordagem de coordenação proposta, testes computacionais

são realizados. Ao avaliar o despacho da geração, é possível observar o impacto da coordenação

109

hidrotérmica no mercado de eletricidade.

2 MODELO DE COORDENAÇÃO HIDROTÉRMICA ESTOCÁSTICO EM DOIS

ESTÁGIOS

Um problema de programação estocástica em dois estágios consiste em um problema

de tomada de decisão, no qual as decisões são tomadas em duas etapas e existe um processo

estocástico envolvido representado por um conjunto de cenários (BIRGE, 1997). As decisões

do primeiro estágio, chamadas de aqui-e-agora, do inglês here-and-now, são tomadas antes da

realização do processo do estocástico, isto é, as variáveis de decisão here-and-now não

dependem de cada realização individual do processo estocástico. Após a realização do processo

estocástico e conhecidas as decisões previamente tomadas no primeiro estágio, são tomadas as

decisões pare-e-veja (wait-and-see), do segundo estágio. Uma vez que o processo estocástico é

representado por um conjunto de cenários, as variáveis de decisão do segundo estágio são

definidas para cada cenário único.

O problema de coordenação hidrotérmica proposto neste trabalho consiste em formular

e resolver um problema de programação estocástica linear em dois estágios, no qual a incerteza

associada a vazão afluente é representada por um conjunto de cenários. O primeiro estágio

consiste em resolver um modelo de leilão de energia multiperíodo com representação linear da

transmissão e obter a programação da geração para cada hora do dia seguinte. As decisões do

segundo estágio são tomadas com base na solução de um problema de planejamento de geração

de médio prazo.

3 RESULTADOS

A estratégia de coordenação estocástica leva em conta em um único modelo os

horizontes de planejamento de curto e médio prazos, ou seja, as decisões tomadas no primeiro

estágio refletem todo o horizonte de planejamento do segundo estágio. Com isto, podemos

observar na Fig. 1 que o despacho obtido para cada hora do dia seguinte conta com uma maior

participação termoelétrica, a fim de preservar os recursos hídricos para o futuro e evitar a

escassez de água. Como consequência, podemos notar a elevação nos preços nodais.

Figura 1. Decisão de curto prazo

110

Figura 2. Decisão de médio prazo

A Fig. 2 mostra a preservação dos recursos hídricos no horizonte de médio prazo ao

adotarmos a estratégia de coordenação proposta.


Neste trabalho propõe-se um modelo de leilão com coordenação estocástico em dois

estágios para mercados de energia de sistemas hidrotérmicos, em que os horizontes de

planejamento de curto e médio são levados em conta em um único modelo. Testes

computacionais são realizados com um sistema hidrotérmico fictício, criado a partir da cascata

da Bacia do Paranapanema acoplada ao sistema IEEE 24 barras. Os resultados apresentados

mostram que a estratégia de coordenação proposta neste trabalho tem um impacto no preço de

equilíbrio de mercado e na programação da geração, uma vez que a coordenação tende a reduzir

a participação hidroelétrica na geração total, a fim de garantir a segurança e confiabilidade do

sistema no presente e no futuro. A não consideração da coordenação na programação da geração

de curto prazo de sistemas hidrotérmicos pode levar a escassez de recursos hídricos no futuro

e, consequentemente, ao aumento no preço da energia e até mesmo a políticas de racionamento.


ARROYO, J. M, CONEJO, A. J., “Multiperiod auction for a pool-based electricity market,” IEEE Transactions

on Power Systems, vol. 17, no. 4, pp. 1225–1231, Nov. 2002.

BIRGE, J. R., LOUVEAUX, F., Introduction to stochastic programming. New York: Springer- Verlag, 1997.

MOTTO, A. L., GALIANA, F. D., CONEJO, A. J., ARROYO, J. M., “Network constrained multiperiod auction

for a pool-based electricity market,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 17, no. 3, pp. 646–653, Aug. 2002.

OLIVEIRA, A. R. L., SOARES S., NEPOMUCENO L., “Short term hydroelectric scheduling combining network

flow and interior point approaches,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 27, no. 2,

pp. 91–99, Feb. 2005.

PADHY N. P., “Unit commitment-a bibliographical survey,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 19, no.

2, pp. 1196–1205, May 2004.

111

DIFERENÇAS NO CUSTO DO PROBLEMA MULTIOBJETIVO DE DESPACHO

COM E SEM OS PONTOS DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA

Elis Gonçalves


Prof. Dr.Antonio Roberto Balbo Orientador – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru

RESUMO

O problema de despacho econômico e ambiental com pontos de carregamento de válvula

(PMDEA-PV) é um problema de otimização multiobjetivo, não-convexo e não diferenciável, e

por apresentar essas características, normalmente é resolvido através de abordagens heurísticas.

Também são comuns na literatura, trabalhos em que os efeitos dos pontos de carregamento de

válvula são desconsiderados e o problema passa a ter função objetivo quadrática e convexa,

facilitando sua solução. Porém, essa representação não é a mais próxima da situação real. O

objetivo deste trabalho é apresentar uma abordagem determinística de solução para o PMDEA-

PV e comparar os resultados com e sem a inserção desses efeitos.

PALAVRAS-CHAVE: Matemática aplicada à engenharia; despacho multiobjetivo; pontos de

carregamento de válvula.

1 INTRODUÇÃO

O efeito dos pontos de carregamento de válvula (PV) pode ser incluídos à função custo

(PMDEA-PV), resultando em um problema não convexo e não diferenciável. Devido a tais

características, é comum encontrar na literatura métodos heurísticos de solução para o PMDEA-

PV. Esses métodos têm algumas desvantagens quando comparados às abordagens

determinísticas, pois normalmente operam sobre populações de candidatos à solução e

dependem da evolução dessas populações ao longo de um grande número de gerações, exigindo

tempos computacionais mais altos. Além disso, eles não possuem a capacidade de verificar

iterativamente a otimização de seus candidatos a solução (KKT). Grande parte dos trabalhos

também desconsidera os PV. Porém, desconsiderar esses efeitos, acarreta em um custo final

inferior ao custo real do despacho, e, no ambiente real do mercado de energia, onde a

representação de custos é crucial para maximizar os lucros, esses erros não podem ser

toleráveis. Em Zhan (2015), os autores destacam a importância em considerar os PV no

problema mono-objetivo e mostram que, desconsiderá-los, acarreta em erros de 2% a 9% no

custo do despacho econômico, para sistemas de 19 e 40 unidades geradoras, respectivamente.

Neste trabalho é proposta uma abordagem determinística de otimização que será utilizada para

resolver o problema multiobjetivo de despacho, com e sem os PV, a fim de mostrar a diferença

no custo ao final do despacho de um problema multiobjetivo.

2 PROBLEMA

O problema multiobjetivo de despacho é formulado por (1):

1

min max

Min. ( ), ( )

S.a: 0

; 1,..., .

n

i d

i

i i i

C p E p

p P

p p p i n

(1)

112

em que C(p) é a função custo de combustível e E(p) é a função emissão de poluentes. As funções

objetivo estão disponíveis em Basu, 2011. Os termos modulares presentes na função C(p), que

estão associados aos PV, tornam o problema não convexo e não-diferenciável. Porém,

considerar esses termos é de grande importância para obter o custo real de geração do sistema.

Conforme o número de unidades geradoras do sistema aumenta, o número de mínimos e

máximos do problema (1) também aumenta. Em Borckmans et. al. (2014), os autores relataram

a existência de cerca de 2.105 candidatos à solução para um problema de 15 unidades geradoras.

Assim, até mesmo o problema mono-objetivo de despacho é um altamente complexo de ser

resolvido, motivo pelo qual a maioria das abordagens de solução são baseadas em heurísticas

ou meta-heurísticas ou desconsideram esses efeitos.

3 METODOLOGIA

Neste trabalho é proposta uma abordagem determinística de otimização para solução do

PMDEA com e sem a inserção dos pontos de carregamento de válvula. A natureza multiobjetivo

do problema é tratada pela estratégia RCP, que transforma o problema multiobjetivo em um

conjunto de subproblemas mono-objetivos (Santos, 2017). Além disso, a metodologia adota

uma série de estratégias para resolver tais subproblemas: a não-diferenciabilidade é tratada por

meio de uma técnica de suavização hiperbólica proposta em Chen (2012), permitindo o uso da

abordagem determinística para resolver os subproblemas suavizados; os subproblemas

suavizados ainda são não-lineares, com múltiplos mínimos e máximos, assim é utilizado um

método de rescalamento não-linear, baseado em Griva e Polyak (2006) com estratégia de

correção de inércia para garantir que o método busque apenas mínimos locais. A metodologia

proposta é chamada de RCP-SH-RNCI e foi implementada em linguagem MATLAB2011a e

aplicada à resolução de quatro sistemas testes, com 6, 10, 19 e 40 unidades geradoras. Os dados

dos sistemas testados podem ser obtidos em Basu (2011).


As curvas de Pareto são apresentadas nas Figuras 1a – 1d. A métrica do hipervolume

(Deb, 2001) foi utilizada para avaliar o impacto dos PV, de forma quantitativa. No caso de 19

geradores, o hipervolume calculado para o PMDEA-PV é de 1399937,36, e para o PMDEA é

de 1592246,71, com uma diferença de 12,07%. No caso de 40, os hipervolumes do PMDEA-

PV e do PMDEA, respectivamente, são 48637675,14 e 86965198,68, com uma diferença de

44,07%. Quanto maior o número de geradores, maior o erro associado em desconsiderar esses

efeitos no problema multiobjetivo.

5 CONCLUSÕES

Neste trabalho, é proposta a abordagem determinística RCP-SH-RNCI, que é

especialmente adaptada para resolver PMDEA-PV e testada nos sistemas com 6, 10, 19 e 40

unidades geradoras. São avaliadas as curvas de Pareto e os hipervolumes obtidos após a solução

dos problemas com e sem os PV. Os resultados revelam que os erros associados à falta de

representação desse efeito em problemas multiobjetivo podem se tornar muito maiores do que

aqueles obtidos para os problemas mono-objetivo de despacho econômico.

113


BASU, M. Economic environmental dispatch using multi-objective differential evolution.

Applied Soft Computing. 2011. p.2845-2853.

BORCKMANS, P. B. et al. A Riemannian subgradient algorithm for economic dispatch with

valve-point effect. Journal of Computational and Applied Mathematics. 2014. p.848-866.

CHEN, X. Smoothing methods for nonsmooth, nonconvex minimization. Mathematical

Programming. 2012. p.71-99.

DEB, K. Multi-Objective Optimization Using Evolutionary Algorithms. John Wiley & Sons.

2001.

GRIVA, I; POLYAK, R. A. Primal-dual nonlinear rescaling method with dynamic scaling

parameter update. Mathematical Programming. 2006. p.237-259.

SANTOS, M. R. B et al. A Proposed Methodology Involving Progressive Bounded Constraints

And Interior-Exterior Methods in Smoothed Economic/Environmental Dispatch Problems.

IEEE Latin America Transactions, p. 1422-1431. 2017.

ZHAN, J. et al. Economic Dispatch With Non-Smooth Objectives - Parte I: Local Minimum

Analysis. IEEE Transactions on Power Systems, 30, p.710-721. 2015.

ZHAN, J. et al. Economic Dispatch With Non-Smooth Objectives - Parte II: Dimensional

Steepest Decline Method. IEEE Transactions on Power Systems, 30, p.722-733. 2015.

114

TRATAMENTO DE INCERTEZAS EM UM MODELO DE

FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO

Rafael Ramos de Souza


Prof. Dr. Antonio Roberto Balbo

Orientador – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru


Coorientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

RESUMO

Neste trabalho é apresentado um modelo de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) com o objetivo de

minimizar os custos de geração ao mesmo tempo que determina controles ótimos para a parte

reativa do problema. A geração é calculada a partir de um sistema térmico-eólico, visando

incluir fontes renováveis no problema, o modelo torna-se probabilístico devido a incerteza da

velocidade do vento. O tratamento dessa incerteza é realizado através da função de distribuição

de probabilidade de Weibull, que determina os custos de geração da energia eólica.

PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo, Energia eólica, Tratamento de incertezas,

Função de distribuição de Probabilidade de Weibull.

1 INTRODUÇÃO

A utilização de fontes renováveis em modelos de sistemas de energia na geração de

energia elétrica, como é o caso da energia eólica, contribui para a redução de emissão de

poluentes na atmosfera, além de reduzir custos na geração por depender basicamente da

velocidade do vento. Porém essa dependência na velocidade do vento que é incerto incorpora

ao problema uma geração variável, sendo assim não é possível calcular variáveis ótimas de

otimização apenas para um cenário, que é o que ocorre com fontes termoelétricas e

hidroelétricas por saber o quanto de recurso se tem.

Neste trabalho incorporamos um sistema térmico-eólico para a geração de potência ativa

de um modelo de FPO que tem como objetivo a minimização dos custos da geração

termoelétrica e eólica visando um despacho ótimo dos geradores considerando controles ótimos

nas linhas de transmissão.

O tratamento da incerteza da velocidade do vento no modelo é feito através de uma

transformação da função de distribuição de probabilidade de Weibull (FDP), que a partir de

uma geração calcula a probabilidade de ocorrência dessa, desta forma é possível calcular os

custos de geração eólica.

2 O PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO

O modelo apresentado é baseado em Hetzer et. al. (2008) e Reddy e Momoh (2016). A

função objetivo (1) visa a minimização dos custos de geração.

As variáveis de controle a serem otimização são: a potência ativa GP , as magnitudes

V e os ângulos das tensões e os taps dos transformadores t do sistema.

115

Mini i j j j j j j j j

T E

Av Av

T G E G P G G R G G

i G j G

C P C P C P P C P P

(1)

. . 0,k k

k

km G C T E

m

s a P P P k G G C

(2)

0,k k

k

sh

km G C k

m

Q Q Q Q k C

(3)

min max ,k k kG G G T EP P P k G G (4)

min max ,k k kG G G T EQ Q Q k G G (5)

min max ,k k kV V V k B (6)

min max , ,km km kmt t t k m T (7)

Na função objetivo, Equação (1), o primeiro termo é o custo dos geradores térmicos, os

demais termos representam os custos da geração eólica.

As restrições (2) e (3) representam as equações de balanço de potência ativa e reativa

em cada barra do sistema. As Equações (4) e (5) representam as restrições de desigualdade

canalizadas, a (4) apresenta os limites mínimo e máximos de potência ativa térmico-eólica dos

geradores e (5) os limites mínimo e máximo de injeção de potência reativa nas barras com

controle de tensão.

As restrições (6) e (7) representam os limites mínimo e máximo das magnitudes de

tensão e dos taps dos transformadores, respectivamente.

3 METODOLOGIA

Para o tratamento da incerteza ocasionado pela velocidade do vento utilizamos uma

transformação da função de distribuição de probabilidade de Weibull(FDP), apresentada em

Hetzer et. al. (2008). A FDP (8) representa dada uma velocidade a saída de potência ativa dos

geradores eólicos.

1

,0kk

vc

v

k vf v e v

c c

(8)

0

0

0,para e

,para

,para

i

i

r i r

r i

r r

w v v v v

v vw w v v v

v v

w w v v v

(9)

Figura 1: Saída de Potência em função da

velocidade do vento.

Em que iv é a velocidade inicial para geração de potência, rv é a velocidade de maior

produção e 0v a velocidade máxima para geração, uma velocidade maior pode danificar a

estrutura dos equipamentos. Porém a FDP calcula uma geração para uma velocidade fixa, a

transformação da FDP utilizada por Hetzer et. al. (2008) nos dá a partir de uma geração a

probabilidade de ocorrência dessa, desta forma tratamos a incerteza no problema, pois sendo a

velocidade aleatória não poderíamos considerar uma velocidade fixa.

A transformação da FDP é dada por:

116

1

1 1

exp

k k

i i

n niW

P Pl v l v

P Pklvf P

c c c

(10)

O modelo proposto na seção anterior será resolvido através do método primal-dual de

pontos interiores/exteriores barreira logarítmica modificada (PDPIEBLM) com procedimento

previsor-corretor, o método é determinístico e apresentou bons resultados quando

implementado em MatLab e aplicado ao problema de FPO Reativo com o objetivo de minimizar

as perdas na transmissão dos sistemas, modelo este que considerava as gerações térmicas como

dado do problema. O método foi aplicado aos sistemas IEEE 14, 30, 57 e 118 barras. Os

resultados dessa aplicação podem ser vistos em Souza et. al. (2017).


Dos artigos citados neste trabalho o artigo de Hetzer et. al. (2008) desenvolve um

modelo de Despacho Econômico que inclui geradores do sistema de conversão de energia eólica

no problema e trata a incerteza da velocidade do vento através da função de distribuição de

probabilidade de Weibull. O problema de otimização é resolvido numericamente para um

cenário envolvendo dois geradores convencionais e dois de energia eólica.

Reddy e Momoh (2016) resolvem um problema de Fluxo de Potência Ótimo para

minimizar a emissão de poluentes com o custo como restrição para um sistema que incorpora

energia eólica. A incerteza da velocidade do vento também é tratada pela função de distribuição

de Weibull. É utilizado para resolução do problema um algoritmo de Bactérias e aplicado ao

sistema IEEE 30 baras com parques eólicos localizados em diferentes barras.

5 CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou um modelo de FPO Ativo/Reativo, com o objetivo de

minimizar os custos na geração de um sistema térmico-eólico. As incertezas do modelo

referentes a parte eólica serão tratadas por uma transformação da função de distribuição de

probabilidade de Weibull e a resolução do modelo através do método PDPIEBLM que é um

método determinístico e será aplicado aos sistemas IEEE 14, 30, 57 e 118 barras, considerando

a inserção de geradores eólicos.


HETZER, J; YU, D, C; BHATTARAI, K. Na Economic Dispatch Model Incorporating Wind

Power. IEEE Transactions on Energy Conversion, v.23, p. 603-611, April. 2008.

REDDY, S. S; MOMOH, J. A. Minimum emissions optimal power flow in wind-thermal power

system using Opposition based Bacterial Dynamics algorithm. Power and Energy Society

General Meeting (PESGM). DOI: 10.1109/PESGM.2016.7741635, Jul.2016.

SOUZA, R.R; BALBO, A.R; NEPOMUCENO, L.; BAPTISTA, E.C.; SOLER, E.M.;

PINHEIRO, R.B.N. A Primal-Dual Interior/Exterior Point Method, with Combined Directions

and Quadratic Test in Reactive Optimal Power Flow Problems. IEEE Latin America

Transactions, v. 15, n.08, p. 1413-1421, Aug.2017.

117

REFORMULAÇÃO DAS RESTRIÇÕES DE COMPLEMENTARIDADE EM

PROBLEMAS DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO

Marina Valença Alencar




RESUMO

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma nova abordagem para tratar

restrições de complementaridade em problemas de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. A fim de

modelar a atuação dos dispositivos de controle de tensão (taps dos transformadores em fase,

bancos de capacitores e reatores shunt) do sistema elétrico para que apenas atuem quando um

dos limites de tensão for atingido na barra controlada por eles. Trata-se de um problema de

programação não linear inteiro misto de difícil resolução e com variáveis discretas envolvidas.

Neste trabalho é proposta e exemplificada uma reformulação para as restrições de

complementaridade.

PALAVRAS-CHAVE: Restrições de Complementaridade, Fluxo de Potência Ótimo Reativo.

1 INTRODUÇÃO

Neste trabalho investiga-se o problema do Fluxo de Potência Ótimo Reativo (FPOr) que

tem como objetivo a minimização das perdas ativas na transmissão de energia elétrica, mediante

restrições de operação, o qual é um problema de otimização restrito, estático, não convexo, de

grande porte e com variáveis contínuas e discretas. Nele as variáveis de controle referentes a

potência ativa são fixadas e as variáveis de controle referentes a potência reativa são ajustadas

de forma a otimizar o desempenho de operação do sistema.

O modelo proposto por Lage (2013) para o problema de FPOr, faz uma mudança na

modelagem clássica desse problema, trata-se de uma nova modelagem envolvendo restrições

de atuação de dispositivos de controle de tensão, por meio de restrições de complementariedade.

Como essa abordagem descrita do problema leva em consideração a natureza discreta

dos taps dos transformadores e da susceptâncias equivalentes além de poder ser ajustada todas

as variáveis de controle para se determinar o estado ótimo do sistema, pode-se inviabilizar sua

aplicação em sistemas maiores. Tentando viabilizar sua aplicação para problemas de grande

porte, Lage (2013) modela o comportamento dos dispositivos de controle de tensão (taps dos

transformadores em fase, bancos de capacitores e reatores shunt) por restrições de

complementaridade, para que eles operem apenas quando um dos limites de tensão da barra por

ele controlada for atingido, restringindo-se o número de ajustes.

De acordo Rodrigues (2005) problemas de otimização com restrições de

complementaridade são considerados de difícil resolução pois a maioria dos métodos

desenvolvidos para programação não linear não podem ser aplicados diretamente a essas

restrições. Portanto o desenvolvimento de métodos de solução eficientes para tais problemas

torna-se necessário.


O modelo matemático proposto por Lage (2013) para o problema de FPOr, no qual o

118

comportamento dos dispositivos de controle de tensão tem natureza discreta e são modelados

por restrições de complementaridade é dado em (1) – (10).

2 2

2,

min max

min max

min

1 1min 2 cos (1)

: ( , , ) 0 (2)

( , ) ( , , ) 0 (3)

( , , ) (4)

(5)

(6)

k

k

k k k

km k m k m km

k m L T km km

k km

m

sh sh

k k k k km

m

g g g

k k k

sh sh sh

k

k

g V V V Vt t

sa P P V t k G C

Q Q V b Q V t k C

Q Q V t Q k G

V V V k

b D k

V

max

min max

min max

(7)

, (8)

, | (9)

, | (10)

sh sh

k k k

km tap

k k k km z

k k k km tap

V V b k

t D k m T

V V V t k m T k T

V V V t k m T k T

Em que as variáveis do problema Vk, θk, tkm, representam respectivamente a magnitude

da tensão na barra k, a fase da tensão na barra k e o vetor dos taps variáveis dos transformadores

em-fase da barra k para barra m. E Pk e Qk representam a injeção de potência ativa e reativa

líquida na barra k, Pkm e Qkm a potência ativa e reativa fluindo da barra k para barra m, Vmin e

Vmax são os limites mínimos e máximos de tensão na barra k, gkm é a condutância série do ramo

km, bsh é o vetor susceptância equivalente dos bancos de capacitores e reatores shunt, Bsh

representa o conjunto das barras com controle da magnitude de tensão por bancos de capacitores

e reatores shunt, L o conjunto das linhas de transmissão, T o conjunto de transformadores com

tap variável, Dtap e Dsh são o conjunto dos valores discretos dos taps dos transformadores e da

susceptância equivalente dos bancos de capacitores e reatores shunt, B é o conjunto de todas as

barras do sistema elétrico, G o conjunto de todas as barras de geração do sistema e C o conjunto

de todas as barras de carga.

No modelo matemático (1) - (10) as restrições que modelam o comportamento dos

dispositivos de controle de tensão são (7), (9) e (10), utilizamos a restrição (9) se a barra por

ele controlada for a barra m ou a (10) se a barra controlada por ele for a barra k.

A fim de tratar essas restrições de complementaridade com limites inferiores e

superiores, o modelo proposto para reformulação será exemplificado por um problema

numérico simples para futuramente ser aprimorado e testado no modelo apresentado para o

FPOr. Vamos considerar o problema (11) – (14) apresentado por Lage (2013), no qual (14) é a

restrição de complementaridade.

4 2

1 1 2

1 2

2

1 2

2

2 1 2

min 2 2 11

. . 3 12

0 13

1.5 2 0.4 14

x x x

s a x x

x x

x x x

A restrição de complementaridade (14) com limites inferiores e superiores pode ser

representada de modo geral por (15).

min max 15x x x F x

119

A qual é equivalente à:

min

min max

max

se então deve-se ter 0



x x F x

x x x F x

x x F x

Propõe-se neste trabalho reformular as restrições de complementaridade do tipo (15)

utilizando programação inteira mista, para exemplificar a restrição (14) pode ser representada

pelas restrições (16) – (25).

2

1 2

1

2 1

1

2

2 2

2

2

2

0.4 16

(1 ) 17

1.5 18

0,1 19

(1 ) 20

2 21

0,1 22

1.5 0 23

2 0 24

a,b 0 25

x x a b

M y a

x y M

y

M y b

x y M

y

x

x


Para resolução do problema a restrição de complementaridade (14) foi substituída pela

reformulação (16) - (25). Dessa forma utilizou-se o solver gratuito Bonmin, em interface com

o software GAMS e a solução obtida para as variáveis foram1 1.188x ,

2 1.812x , 1 1y e

2 1y . Para a função objetivo o valor de 6.3655749. O tempo computacional de resolução foi

0.016 segundos.

4 CONCLUSÕES

Este trabalho propõe uma abordagem para reformulação de restrições de

complementaridade com limites inferiores e superiores.

De acordo com os resultados obtidos para o problema numérico, observa-se que a

abordagem proposta tem grande potencial de aplicação em problemas complexos como o FPOr.

Futuramente será aprimorada essa reformulação e realizados testes com os sistemas

elétricos IEEE 30, 118 e 300 barras.


LAGE, G. G. O fluxo de potência ótimo reativo com variáveis de controle discretas e restrições

de atuação de dispositivos de controle de tensão. 2013. Tese (Doutor em Ciências),

Universidade de São Paulo, 2013.

RODRIGUES, H. S. F. Problema de otimização com restrições de complementaridade: uma

aplicação ao mercado de energia eléctrica. 2005. 81 f. Tese (Mestrado em Matemática

Computacional) – Escola de Ciências, Universidade do Minho, Minho/Portugal, 2005.

120

MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DA CURVA COTA-PREÇO APLICADA AO

MODELO DE AUTOPRODUÇÃO PARA PROBLEMAS DE LEILÃO DE ENERGIA

Tiago G. Cabana




RESUMO

As companhias geradoras necessitam resolver o problema de autoprodução, que calcula a

produção que maximiza seus lucros. A curva cota-preço, que modela a relação entre a cota

gerada pela companhia e o preço de equilíbrio, é essencial para o modelo de autoprodução. Este

trabalho propõe um novo modelo para as curvas cota-preço, que utiliza métodos de simulação

de leilão. A curva proposta é comparada à técnica tradicional de construção da curva cota-preço

em que resultados apontam melhorias na curva elaborada por este método.

PALAVRAS-CHAVE: Curva Cota-Preço; Autoprodução; Ofertas Estratégicas.

1 INTRODUÇÃO

A comercialização de energia é realizada através de leilões em que companhias

geradoras/consumidores fornecem ofertas/lances de venda/compra, envolvendo energia (MWh)

e preços ($/MWh). O Operador de Mercado (OM), cujo objetivo é buscar o bem comum, recebe

as ofertas e os lances e através de um Procedimento de Equilíbrio de Mercado (PEM), isto é o

leilão de energia, determina os preços e potências de equilíbrio no mercado. Neste ambiente as

Companhias Geradoras (CG) podem ser classificadas como price-makers, que são capazes de

alterar o preço de equilíbrio, e as price-takers, que não têm este poder.

As CG necessitam resolver problemas de maximização de lucros, sendo os principais o

modelo de autoprodução (AP), que determina a produção ótima de cada uma de suas usinas, e

o problema de ofertas estratégicas, que define quais devem ser os blocos ofertados no mercado

para alcançar a produção calculada pelo modelo de AP. Uma ferramenta associada ao modelo

de AP é a curva cota-preço, que apresenta a tendência do preço de equilíbrio de acordo com a

cota aceita no mercado, desta forma a CG é capaz verificar seu poder de mercado e calcular a

potência ótima que maximizará sua receita líquida.

Atualmente, as curvas cota-preço são elaboradas através da subtração das curvas de

geração e demanda agregadas. A primeira curva é construída organizando as ofertas recebidas

das companhias geradoras com os preços em ordem crescente, e a segunda curva organizando

os lances dos consumidores com os preços em ordem decrescente.

Este trabalho tem por objetivo apresentar um novo método de construção de curva cota-

preço, através de um processo de simulações iterativas de um PEM. Por motivos didáticos

chamaremos a curva cota-preço construída pelo método tradicional de CCPT e aquela proposta

por este trabalho por CCPS.


A aplicação da curva cota-preço em modelo de autoprodução deste artigo foi baseado

no trabalho de (TORRE et al., 2002), onde é apresentam uma modelo de linearização por partes

da curva tradicional aplicando a um modelo de AP para usinas termelétricas.

121

Em (STEEGER; BARROSO; REBENNACK, 2014), são apresentadas as principais

metodologias utilizadas no modelo de ofertas estratégicas do dia seguinte para companhias

price-maker e price-taker, tanto de matriz hidrelétrica como termelétrica.

Recentemente (GONZÁLEZ et al., 2017) utilizou a curva cota-preço para modelar

alguns efeitos do mercado do dia seguinte, como a mínima receita que cada companhia deve

ter para participar do mercado e despachar energia e limites de transmissão.


Enquanto que a CCPT é elaborada através de uma simples subtração de curvas, a CCPS

proposta neste trabalho é elaborada através de um processo iterativo de simulações de PEM. A

cada iteração é realizado o PEM com um valor de quantidade de blocos de ofertas diferente,

começando com uma quantidade total de blocos e retirando a um bloco a cada iteração, de

forma que a cada simulação tem-se um preço de equilíbrio associado a um valor de cota da

companhia aceita no mercado.

Para verificar a qualidade da representação do poder de mercado da CCPS comparada

a CDRT inicialmente são construídas as curvas considerando um mesmo sistema, com 20

geradores divididos em 3 companhias, sendo que apenas a companhia 1 tem características

price-maker. Os dados de blocos de ofertas e lances de compras, de um período de 24 horas,

são encontrados em (CONEJO; CARRIóN; MORALES, 2010).

Depois, cada uma das curvas é utilizada como informação de entrada no modelo de AP,

com restrições que levam em conta os aspectos físicos e operativos tanto das usinas termelétricas quanto

hidrelétricas. Com o resultado deste modelo, tem se valor da produção ótima de cada usina. Desta forma utiliza-

se este valor de produção encontrado como a potência do bloco a ser ofertado e o preço é escolhido de acordo com

os dados dos blocos utilizados para construção da curva cota-preço como referência.

Por fim, são ofertados os blocos calculados na etapa anterior em um leilão, em que as ofertas das outras

companhias foram as mesmas que foram utilizadas para a construção das curvas. Como resultado, foram

comparamos os preços de equilíbrio horário encontrado no leilão com os preços de equilíbrio esperados pelas

curvas e calculados os erros. Um último valor comparado é o lucro alcançado da companhia de acordo com cada

uma das curvas.


A Tabela 1 apresenta os valores de preços horários encontrados no leilão e os valores

esperados por cada uma das curvas. Podemos observar que o erro médio apresentado pela

CCPS, de 1,1% é menor comparado ao erro da CCPT de 1,48%. Ambos os erros são baixos,

porém a nova abordagem trás uma fidelidade melhor. O outro valor comparado é o lucro obtido

com cada curva. Utilizando a CCPT a companhia alcançou um lucro de $620.597,00 e

utilizando a CCPS alcançou um lucro de $628.345,80, uma diferença diária de $7.748,80.

Tabela 1: Preços encontrados e esperados por cada uma das curvas e erro correspondente.

Preço (CCPS) Esperado Erro Preço (CCPT) Esperado Erro

25.50 23.00 9.80% 25.50 22.83 10.47%

23.00 22.54 2.00% 21.92 21.90 0.09%

21.80 21.80 0.00% 21.80 21.80 0.00%

20.70 21.69 4.78% 20.70 20.99 1.40%

21.80 21.69 0.50% 21.80 21.69 0.50%

21.92 21.80 0.55% 21.92 21.80 0.55%

23.00 22.50 2.17% 23.00 22.83 0.74%

122

24.50 24.12 1.55% 24.14 24.12 0.08%

24.24 23.98 1.07% 23.40 23.94 2.31%

23.40 23.40 0.00% 23.40 23.80 1.71%

23.80 23.80 0.00% 23.80 23.94 0.59%

23.90 23.90 0.00% 23.90 23.80 0.42%

24.12 23.94 0.75% 23.40 23.80 1.71%

24.00 23.94 0.25% 24.00 23.94 0.25%

23.40 23.80 1.71% 23.11 23.40 1.25%

24.12 24.12 0.00% 24.12 23.94 0.75%

24.12 23.94 0.75% 23.40 23.80 1.71%

23.40 23.40 0.00% 23.40 23.80 1.71%

23.90 23.90 0.00% 23.40 23.80 1.71%

25.80 25.80 0.00% 23.50 23.94 1.87%

24.14 24.12 0.08% 23.40 23.94 2.31%

24.12 24.12 0.00% 23.50 23.94 1.87%

23.40 23.40 0.00% 23.98 23.80 0.75%

24.14 23.98 0.66% 24.12 23.94 0.75%

Média de Erro 1.11% Média de Erro 1.48%

5 CONCLUSÕES

Este trabalho cumpriu o objetivo de apresentar um novo modo para construção das

curvas cota-preço em que, a partir dos resultados apresentados, foi possível observar que a

CCPS tem uma representação mais fiel da tendência do preço de equilíbrio comparada a CCPT,

que por consequência resultou em uma receita maior para a CG. Como próximos trabalhos

acrescentar as restrições térmicas e hídricas na construção da curva, pois atualmente leve em

conta apenas aspectos econômicos do leilão.


CONEJO, Antonio J. et al. Decision making under uncertainty in electricity markets. New

York: Springer, 2010.

GONZÁLEZ, José Portela et al. Residual demand curves for modeling the effect of complex

offering conditions on day-ahead electricity markets. IEEE Transactions on Power Systems,

v. 32, n. 1, p. 50-61, 2017.

STEEGER, Gregory; BARROSO, Luiz Augusto; REBENNACK, Steffen. Optimal bidding

strategies for hydro-electric producers: A literature survey. IEEE Transactions on Power

Systems, v. 29, n. 4, p. 1758-1766, 2014.

DE LA TORRE, Sebastián et al. Price maker self-scheduling in a pool-based electricity market:

a mixed-integer LP approach. IEEE Transactions on Power Systems, v. 17, n. 4, p. 1037-

1042, 2002.

123

EMULADOR DE TURBINA EÓLICA USANDO MOTOR DE INDUÇÃO ACIONADO

POR INVERSOR DE FREQUÊNCIA E CONTROLE DE HARDWARE NA MALHA

José Rodrigo de Oliveira




RESUMO

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um emulador de turbina eólica que consiste de

um motor de indução acionado por um inversor de frequência. O objetivo deste artigo é propor

uma configuração de hardware, que permite testar sistemas de energia eólica para avaliação da

qualidade de energia, confiabilidade e desempenho em um ambiente de laboratório. O

algoritmo do emulador de turbina eólica foi modelado e simulado usando o software MATLAB

/ Simulink®. Além disso, a comunicação entre este software e a bancada experimental é

garantida por um DSP TMS320F28335. Resultados experimentais confirmam que o

desempenho do emulador de turbinas eólicas foi satisfatório, uma vez que foi capaz de

representar um desempenho real.

PALAVRAS-CHAVE: Emulador de turbina eólica, motor de indução, inversor de frequência,

sistemas de energia eólica.

1 INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, a geração de eletricidade através de energia renovável tem crescido

consideravelmente em comparação aos anos anteriores, nesse cenário, a produção de

eletricidade usando energia eólica tornou-se uma das formas importantes para lidar com a

crescente demanda de energia e com a crise ambiental, pois além da construção modular de

fácil expansão, é ambientalmente amigável e economicamente competitiva para muitas

aplicações (BENAAOUINATE et al., 2017).

Os emuladores de vento auxiliam na execução de testes na avaliação do desempenho

dos sistemas de energia eólica e tem sido uma ferramenta importante para pesquisadores da

área. O emulador de turbina eólica (WTE) pode ser usado para conduzir um gerador elétrico de

forma similar à uma turbina eólica, reproduzindo o torque desenvolvido para uma determinada

velocidade do vento (VOLTOLINI et al., 2012).

Este trabalho apresenta um emulador de turbina eólica com motor de indução trifásico

acionado por inversor de frequência. Para a modelagem de uma turbina eólica real, foi utilizado

o software MATLAB / Simulink®. A implementação do emulador foi satisfatório, uma vez que

os resultados obtidos demonstraram a eficácia do emulador proposto, haja vista que os

resultados experimentais apresentaram o mesmo comportamento dos resultados

computacionais.


Segundo Moussa, Bouallegue e Khedher (2014) a figura 1 apresenta o diagrama que

representa o sistema de conversão de energia eólica, que basicamente consiste em três blocos

principais: o emulador de vento, o gerador e o conversor. Assim, o emulador de vento, incluindo

uma turbina eólica, converte energia cinética em energia mecânica enquanto o gerador converte

124

a energia mecânica recuperada através do eixo do motor em energia elétrica. Neste caso, um

conversor é necessário, pois fornece a frequência de adaptação das grandezas elétricas

provenientes do gerador e dessas redes.

Figura 1 - Sistema de conversão de energia eólica.

Adaptado de Moussa, Bouallegue e Khedher (2014).

No laboratório, os sistemas de emuladores de vento são geralmente implementados com

motores de indução ou motores de corrente contínua. As principais desvantagens dos motores

DC são as dimensões, seu elevado custo e a frequente manutenção exigida comparando com os

motores de indução, e esse por sua vez, além da sua simplicidade, produz fator de potência

reduzido e apresenta maior rendimento em carga máxima. Uma alternativa para superar essas

desvantagens é a uso do motor de indução como motor principal no WTE (VOLTOLINI et al.,

2012).


Utilizamos para o estudo do emulador de turbina eólica, um motor de indução

controlado por um inversor de frequência, acoplado mecanicamente a uma máquina de corrente

contínua, cuja armadura foi conectada a uma carga resistiva variável. Além disso, entre os eixos

das máquinas elétricas, existe um sensor de torque.

Através do software MATLAB/Simulink® do foi possível implementar o modelo

matemático de uma turbina eólica real. Com o uso deste software, foi possível fazer a

comunicação entre o modelo desenvolvido e a bancada de testes através de uma biblioteca

fornecida pela Texas Instruments. A comunicação é realizada pelo DSP TMS28F335, ao qual

o modelo computacional fornece a variável de tensão de referência ao inversor de frequência

(que é responsável por impor a velocidade no motor de indução), assim com as informações de

vento e torque provenientes da bancada experimental, o microcontrolador determina o valor da

velocidade, de acordo com a dinâmica da carga, retornando o sinal de tensão que aciona o

inversor de frequência conectada a uma máquina de indução. O toque medido pelo sensor de

torque é enviado ao DSP que o transmite o mesmo ao Matlab/Simulink®, permitindo a

comparação entre o torque medido com o toque obtido computacionalmente.


Neste trabalho, a bancada experimental simula um modelo de turbina eólica de 3k, ao

qual acoplamos uma carga resistiva variável, com finalidade de analisar a variação de torque

até atingir o ponto de excitação e perturbar a máquina de corrente contínua.

Para tanto, utilizamos como parâmetros de análise ventos de 6, 8 e 10 m/s, por se

tratarem de valores médios de velocidade de vento encontrados no Brasil, desta forma

ressaltamos que a bancada permite a simulação que outros valores de vento.

Para fins de coleta de dados, obtivemos dados referente ao torque mecânico, potência

elétrica e velocidade, obtidos através de um oscilógrafo acoplado ao DPS, mais a leitura de

tensão e corrente da carga, resultado da leitura dois multímetros digitais, permitindo a

125

comparação entre a potência elétrica gerada, obtida pelo modelo computacional em relação a

potência medida na carga.

Nos testes realizados, observamos que o perfil de potência disponível da turbina eólica

emulada ocorreu como esperado, diferenciando-se apenas pela eficiência da máquina de

indução.

5 CONCLUSÕES

Este trabalho propôs um modelo completo de um emulador de turbina eólica. A bancada

de testes foi composta por um motor de indução acionado por um inversor de frequência

controlado pelo modelo desenvolvido no software MATLAB / Simulink®. A simulação foi

implementada através do DSP TMS28F335 em termos de controle da bancada de simulação. O

emulador proposto é interessante, uma vez que permite o estudo de sistemas de energia eólica

visando melhorar a qualidade da energia sem depender do uso de uma turbina eólica real. Além

disso, o sistema proposto é extremamente importante no desenvolvimento de pesquisas em

regiões com baixa incidência de vento, o que impossibilita a instalação de aerogeradores, além

do alto custo desses equipamentos para uso acadêmico.

Os resultados apresentaram a eficácia do emulador proposto, uma vez que houve

validação dos resultados experimentais em comparação aos simulados, garantindo a

confiabilidade e utilidade deste emulador para representar uma turbina eólica real. Como

trabalhos futuros, propõe-se o estudo e a implementação de algoritmos para desenvolver o

controle do ângulo de inclinação, a fim de emular a extração da potência máxima disponível

pelo vento.


BENAAOUINATE, L. et al. Development of a useful wind turbine emulator based on

permanent magnet DC motor. 2017 14th International Multi-conference On Systems,

Signals & Devices (ssd), [s.l.], p.44-48, mar. 2017. IEEE.

MOUSSA, I.; BOUALLEGUE, A.; KHEDHER, A. Design and implementation of constant

wind speed turbine emulator using Matlab/Simulink and FPGA. 2014 Ninth International

Conference On Ecological Vehicles And Renewable Energies (ever), [s.l.], p.1-8, mar. 2014.

VOLTOLINI, Helio et al. Modeling and simulation of the Wind Turbine Emulator using

induction motor driven by torque control inverter. 2012 10th IEEE / IAS International

Conference On Industry Applications, [s.l.], p.1-6, nov. 2012. IEEE.

126

UM MÉTODO HÍBRIDO DE PONTOS INTERIORES E PSO E SUA EFICIÊNCIA

NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO

João Paulo de Lima


Profa. Dra. Edmea Cássia Baptista

Orientadora – Depto. De Matemática – Unesp – Bauru

RESUMO

Neste trabalho será proposta uma metodologia híbrida para a resolução do problema de Fluxo

de Potência Ótimo, um problema de extrema relevância da área de Sistemas Elétricos de

Potência. Tal problema tem como objetivo assegurar condições ótimas do sistema a partir de

um certo objetivo determinado. Matematicamente é formulado como um problema não linear,

restrito, de grande porte e com variáveis contínuas e discretas. Trata-se de um problema de

difícil resolução, que motiva diversos trabalhos sobre a investigação de métodos que o resolvam

de forma eficiente. Neste trabalho, tem-se como objetivo combinar o Método Primal-Dual

Barreira Logarítmica (PDBL) com o método heurístico Enxame de Partículas (PSO) e aplicar

essa metodologia híbrida na resolução do Problema de Fluxo de Potência Ótimo, com variáveis

contínuas e discretas, e verificar sua eficiência.

PALAVRAS-CHAVE: Metaheurística, Fluxo de Potência Ótimo, Enxame de Partículas.

1 INTRODUÇÃO

O problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) é investigado na Engenharia Elétrica,

área de Sistemas Elétricos de Potência. Seu modelo foi proposto por Carpentier, em 1962,

baseado no problema de Despacho Econômico. Do ponto de vista matemático é possível

descrevê-lo como um problema não linear, restrito, não convexo e de grande porte, com

variáveis contínuas e discretas

Este problema é uma ferramenta que tem por finalidade fornecer a melhor condição de

operação de um Sistema Elétrico de Potência, sob um determinado objetivo. O objetivo pode

ser, por exemplo, a condição de operação com a menor quantidade de perdas de potência ativa

possível. Este problema não tem uma solução trivial, pois a solução encontrada deve respeitar

os limites operativos dos equipamentos que compõem a rede elétrica, assim como, atender

outras restrições inerentes à operação de um sistema elétrico.

Dadas as dificuldades na resolução e a tamanha relevância deste problema, são

encontrados na literatura diversos métodos que se propõem a resolvê-lo de forma eficiente,

como em Baptista (2001), Delgado(2016), Oriondo (2016), entre outros.

Dentre os métodos determinísticos damos destaque, neste trabalho, ao método Primal

Dual Barreira Logaritmica, proposto por Waltz. et al, 2004, o qual é um método de pontos

interiores que garante que em todos os passos dados pelo algoritmo se obtenha pontos contidos

na região factível. Esse método se mostrou eficiente na resolução do Fluxo de Potência Ótimo

com variáveis contínuas.

Um algoritmo de otimização heurística que vem sendo utilizado para problemas

relacionados aos Sistemas Elétricos de Potência é o da Otimização por Enxame de Partículas

(PSO). O método foi proposto por Eberhart e Kennedy em 1995 e tem como objetivo buscar a

solução ótima, em um espaço de busca, através da troca de informações entre indivíduos de

uma população determinando qual trajetória cada um deles deverá tomar no espaço de busca.

127

Desta forma, neste trabalho propõe-se uma metodologia híbrida de resolução que utiliza

o método determinístico, PDBL, e o método heurístico, PSO, e uma análise desta, em relação

à sua eficiência na resolução do problema de Fluxo de Potência Ótimo.


Na literatura têm sido propostas abordagens híbridas para diversos problemas de difícil

resolução, levando em conta as vantagens e desvantagens de cada um dos métodos utilizados

de acordo com as características do problema abordado.

Delgado (2016) propõe uma metodologia que combina os métodos de Barreira e

Barreira Modificada para a resolução do Fluxo de Potência Ótimo reativo, atestando a eficiência

dessa abordagem.

Diversas combinações de metaheurísticas também podem ser encontradas na literatura.

Em Wei Yan (2006) propõe-se uma metodologia híbrida que envolve o Método de Pontos

Interiores e um Algoritmo Genético para a resolução do problema de FPO reativo, ou seja, um

método determinístico combinado com uma metaheurística e o autor demonstra sua eficiência

através de testes computacionais com os sistemas elétricos de 30 até 161 barras.

Além disso, na literatura podemos encontrar referências sobre a eficiência do método

PSO para a resolução de problemas ligados aos SEP, como em Esmin (2017). Portanto, uma

metodologia que envolva os métodos de Pontos Interiores, de Waltz (2003), e o PSO é uma

abordagem que tem características promissoras para a resolução do FPO.


Inicialmente serão implementados e analisados’ os métodos separadamente,

verificando, assim, seu desempenho e possíveis dificuldades computacionais encontradas

relacionadas ao problema proposto.

De acordo com a eficiência mostrada por esses métodos citados e seus benefícios

apresentados para a resolução do problema, uma metodologia híbrida de métodos

determinísticos e não-determinísticos será proposta e seu desempenho será analisado.


Um método que se mostrou eficiente na resolução do problema de FPO é o Método

Primal-Dual Barreira Logarítmica, como apresentado em Waltz. et al, 2004. Porém tal método

resolve o problema considerando suas variáveis como contínuas, sendo necessárias

aproximações posteriores, gerando um afastamento do ponto ótimo encontrado. Por este

motivo, podemos observar na literatura modelos não determinísticos, ou heurísticos que

facilitam o tratamento das variáveis discretas do problema.

Já Gamino (2016) propõe, em seu trabalho, metaheurísticas aplicadas ao problema de

FPOR, as quais se mostraram eficientes na resolução do mesmo. Em Esmin (2017) um estudo

da aplicação do método de Enxame de Partículas na resolução de problemas ligados aos

Sistemas Elétricos de Potência é encontrado.

4 CONCLUSÕES

Espera-se obter uma metodologia híbrida eficiente para a resolução do problema de

Fluxo de Potência Ótimo que possa explorar os benefícios do método Primal-Dual Barreira

Logarítmica para o tratamento das variáveis contínuas e funções diferenciáveis, juntamente

128

com a eficiência e praticidade das técnicas Heurísticas para a abordagem das variáveis discretas

e funções não diferenciáveis.


CARPENTIER, J.L. Contribution a L’etude du Dispatching Economique, Bull-Soc. Fr Elec,

1962. p. 431-447

DELGADO, J.A, BAPTISTA, E.C. The combination of methods barrier and modified barrier

in resolution of reactive optmal power flow problem, IEEE América Latina, 15 (9), 1629-

1638, 2016.

EBERHART, R. C. AND KENNEDY, J. (1995). A new optimizer using particle

swarm theory. In Proceedings of the sixth international symposium on micro machine and

human science, volume 1, pages 39–43. New York, NY.

ESMIN, A. A. A. Estudo de Aplicação do Algorítmo de Otimização por Enxame de

Partículas na Resolução de Problemas de Otimização Ligados ao SEP. Tese(Tese em

Engenharia Elétrica) – UNIFEI. Itajubá/MG. 2017.

GAMINO, B. R. DE ARAÚJO, P. B. FORTES, E. V. MARTINS, L.F.B. Meta- Heurísticas

Bio- Inspiradas Aplicadas ao Problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. Simpósio

Brasileiro de Pesquisa Operacional. (2016).

ORIONDO, M. A. M. Resolução do problema de fluxo de potência ótimo pela meta-

heurística algoritmo dos fogos de artifício de busca dinâmica com mutação de covariância.

Dissertação. FEIS. Ilha Solteira/SP. (2016).

WALTZ, R.A. J. L.MORALES, J. NOCEDAL, D. ORBAN. An interior algorithm for nonlinear

optimization that combines line search and trust region steps. Math. Prog. A. vol. 107, pp. 391–

408, (2004).

YAN, W., LIU, F., CHUNG, C.Y., & WONG, K.P. A hybrid genetic algorithm-interior point

method for optimal reactive power flow. IEEE Transactions on Power Systems, 21, 1163-1169.

2006.

129

DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA GESTÃO DA DEMANDA ATRAVÉS

DE GERENCIAMENTO INTELIGENTE DE ENERGIA E USINAS VIRTUAIS

Bruno Aguilar da Cunha

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba


Orientador – Instituto de Ciência e Tecnologia – Unesp – Sorocaba

Prof. Dr. Antonio Cesar Germano Martins

Coorientador – Instituto de Ciência e Tecnologia – Unesp – Sorocaba

RESUMO

Este trabalho apresenta um projeto sobre gestão eficiente da demanda de energia através do

conceito de usinas virtuais para gerenciamento inteligente das fontes energéticas distribuídas

em microgrids ou redes de baixa tensão. O projeto ainda em fase de estudo busca compreender

aspectos técnicos e operacionais destes sistemas com o objetivo de obter um software

especialista multiagente que se aplique ao sistema elétrico brasileiro, principalmente com foco

na mini e microgeração distribuída, explorando possíveis inovações, considerando as

particularidades do clima e das energias renováveis, o mercado de energia e as normatizações

existentes em âmbito nacional.

PALAVRAS-CHAVE: Usinas Virtuais de Energia; Demanda; Geração Distribuída; Energias

Renováveis.

1 INTRODUÇÃO

A energia elétrica no mundo, historicamente, se baseou em usinas centralizadas para

geração de eletricidade. Com o advento das energias renováveis, nos últimos anos, houve um

crescimento significativo da utilização de geração distribuída (COLMENAR-SANTOS et al.,

2016) para substituição das fontes tradicionais de energia como petróleo, gás natural, carvão,

entre outras (PLANCKE et al., 2018). O uso de fontes renováveis e sua consequente geração

distribuída, introduzem diversos desafios técnicos com relação ao controle, gerenciamento e

utilização eficiente dos recursos (GHADAMGAHI; HASHEMI, 2018).

As fontes energéticas renováveis e distribuídas são geralmente utilizadas como uma

segunda fonte primária, gerando parte da energia necessária para consumo, ocorrendo muitas

vezes em microgrids, que tem como um dos propósitos, gerar energia limpa mais próxima aos

consumidores. Essa proximidade é bastante vantajosa por aumentar a eficiência da rede híbrida

e também devido ao fato que parte considerável da energia gerada pode ser perdida devido a

distância entre os pontos de geração e de consumo (GHADAMGAHI; HASHEMI, 2018).

A natureza intermitente das energias renováveis também apresenta um grande desafio

para o crescimento e expansão da utilização dessas fontes, assim como a infraestrutura existente

para transmissão que foram projetadas mais para a eficiência do que flexibilidade e a

distribuição ocorre, muitas vezes, através de fluxos unidirecionais e conexão de carga e não por

meio de interconexões de geração, que são necessárias para conectar as diferentes fontes

distribuídas (COLMENAR-SANTOS et al., 2016).

Considerando o cenário futuro de automatização energética através das redes

inteligentes, o gerenciamento da diversidade de fontes de energia existentes no Brasil poderá

ser realizado através do uso de Microgrids e de Usinas Virtuais de Energia e, portanto, este

130

resumo apresenta um projeto cujo objetivo é desenvolver um sistema para obter o

gerenciamento automático de energia, através de previsões de demanda geradas dentro do

contexto de Usinas Virtuais utilizando técnicas computacionais para o gerenciamento adequado

e eficiente de energia.


Considerando a abordagem principal a ser utilizada neste trabalho, o conceito de Usinas

Virtuais de Energia se apresenta como algo relativamente novo com os primeiros artigos

surgindo no início da década passada (DIELMANN; VAN DER VELDEN, 2003). Diversos

autores declaram ser um tema em aberto, em fase de hipóteses sendo formuladas, e não há uma

definição única na literatura para a sua estrutura, composição e funcionalidades. Uma definição

aceita, cita que as Usinas Virtuais são representações flexíveis de um portfólio de energias

renováveis distribuídas, criando um perfil operacional único através da agregação das mais

variadas gerações existentes juntamente com seus parâmetros, incorporando também restrições

espaciais. Uma outra definição, dá ênfase no fato de que Usinas Virtuais são também sistemas

de software para de forma remota e automática despachar e otimizar o lado da geração para

atender a demanda, assim como gerenciar bem os recursos de armazenamento de energia (ESS)

(PLANCKE et al., 2018).

Frequentemente os trabalhos encontrados mencionam Usinas Virtuais e Microgrid

juntos como soluções alternativas para integrar as gerações distribuídas da rede. Contudo, há

diferenciações, devido ao fato de microgrid ser um pequeno sistema que possui um ou mais

geradores distribuídos locais e um cluster de cargas operando juntos através de software e

dispositivos de gerenciamento de energia, sendo normalmente aplicado na baixa tensão e

conseguir operar no modo ilhado (ABDOLRASOL; MOHAMED; HANNAH, 2017), ao

contrário das Usinas Virtuais que devem estar sempre conectadas e permite também

negociações de preço ou suporte ao sistema de serviços (PLANCKE et al., 2018; MASHHOUR;

MOGHADDAS-TAFRESHI, 2009).


O estudo a ser realizado deverá trazer uma discussão dos conceitos e técnicas utilizadas

na concepção e gerenciamento de Usinas Virtuais, assim como o levantamento das técnicas de

gerenciamento da demanda de energia através de abordagens de inteligência artificial.

As usinas virtuais em funcionamento, assim como, alguns estudos existentes, estão

contextualizados em sistemas de energia de médio e grande porte, sendo localizadas em países

do hemisfério norte que possuem características de funcionamento e uma demanda de energia

bastante relacionados ao clima e necessidades locais (PLANCKE et al., 2018). Será, portanto,

verificada a viabilidade de aplicação dos conceitos de Usinas Virtuais em sistemas de energia

de baixa tensão no Brasil, com foco na mini e microgeração, com suas respectivas

particularidades, dificuldades e possibilidades de inovação.

A princípio, considera-se, que no cenário brasileiro, uma abordagem mais adequada seja

a utilização de uma usina virtual com enfoque comercial, embora em outros países há um

desenvolvimento significativo de usinas virtuais técnicas para melhorias nos indicadores de

qualidade de energia (PLANCKE et al., 2018).


O resultado inicial a ser obtido após profunda revisão bibliográfica é a compreensão

131

mais clara das diferenças e semelhanças existentes com relação a usinas virtuais e microgrids

e os sistemas de gerenciamento inteligente de energia como um todo. Não se encontra claro

ainda, qual abordagem será mais adequada para o gerenciamento da demanda na baixa tensão

(micro e mini geração), ou se deverá ser conduzido um desenvolvimento híbrido, gerando uma

abordagem que traga características interessantes de ambas as técnicas.

É importante salientar que uma dificuldade referente a usinas virtuais é a extrema

complexidade computacional na estratégia de se controlar diversas fontes e agregadores, assim

como a heterogeneidade da rede. Outra grande adversidade são as normas e regulamentações

brasileiras que podem ser entraves significativas na idealização deste tipo de sistema e que

deverão nortear e limitar o escopo desta proposta.

5 CONCLUSÕES

Através deste trabalho, espera-se, portanto, obter um sistema de gerenciamento

inteligente de energia, com predição de demanda e otimização dos recursos energéticos

disponíveis em uma rede de baixa tensão ou microgrid no país. Com um viés comparativo entre

a forma de aplicação dos conceitos de sistemas inteligentes de energia e Usinas Virtuais no

resto do mundo e as características e propriedades do mercado e do sistema elétrico brasileiro,

pretende-se identificar as particularidades e as possibilidades de inovação utilizando

abordagens ainda pouco aplicadas no cenário nacional com o objetivo de tornar mais eficiente

e integrada a utilização distribuída de fontes renováveis existentes no país.


ABDOLRASOL, Maher GM; MOHAMED, Azah; HANNAN, M. A. Virtual Power Plant and

Microgrids controller for Energy Management based on optimization techniques. Journal of

Electrical Systems, v. 13, n. 2, 2017.

COLMENAR-SANTOS, Antonio et al. Distributed generation: A review of factors that can

contribute most to achieve a scenario of DG units embedded in the new distribution

networks. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 59, p. 1130-1148, 2016.

DIELMANN, K.; VAN DER VELDEN, Alwin. Virtual power plants (VPP)-a new perspective

for energy generation?. In: Modern Techniques and Technologies, 2003. MTT 2003.

Proceedings of the 9th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-

graduates and Young Scientists. IEEE, 2003. p. 18-20.

GHADAMGAHI, A. M. S.; HASHEMI, Z. A Review of an Essential Role of the Distributed

Power Generation-Applications and Challenges. Innov Ener Res, v. 7, n. 199, p. 2576-

1463.1000199, 2018.

MASHHOUR, Elaheh; MOGHADDAS-TAFRESHI, S. M. A review on operation of micro

grids and virtual power plants in the power markets. In: Adaptive Science & Technology,

2009. ICAST 2009. 2nd International Conference on. IEEE, 2009. p. 273-277.

PLANCKE, Glenn et al. Virtual power plants: Definition, applications and barriers to the

implementation in the distribution system. In: European Energy Market (EEM), 2015 12th

International Conference on the IEEE, 2015. p. 1-5.

132

CARACTERIZAÇÃO DE CARGAS NÃO-LINEARES EM CIRCUITOS

TRIFÁSICOS A 3 E 4 CONDUTORES

Risomar de Andrade Alves Santos

Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – FEB – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Helmo Kelis Morales Paredes

Orientador – Engenharia de Controle e Automação – ICTS – Unesp – Sorocaba


Co-orientador – Engenharia de Controle e Automação – ICTS – Unesp – Sorocaba

RESUMO

Esse trabalho visa o estudo comparativo e a análise de circuitos elétricos utilizando as teorias

de potência CPT e CPC do inglês (Conservative Power Theory) e (Currents’ Physical

Components), respectivamente. O objetivo central é discutir a caracterização de cargas e

autoprodutores em sistemas trifásicos a três ou a quatro condutores, com cargas não lineares

que podem causar distorções indesejáveis no sistema de fornecimento de energia. Portanto, a

determinação das propriedades de potência e a interpretação dos fenômenos relacionados a tais

propriedades são fundamentais, devido ao comportamento não senoidal dos sinais de tensões e

correntes, especialmente em sistemas trifásicos desequilibrados.

PALAVRAS-CHAVE: Caracterização de Cargas, Qualidade da Energia Elétrica, Geração

Distribuída, Teorias de potência CPT e CPC.

1 INTRODUÇÃO

Os sistemas de energia estão se tornando cada vez mais complexos devido à expansão

da eletrônica de potência, em meio à proliferação intensa dos usuários que geram e consomem

sua própria energia (autoprodutores). A complexidade dos sistemas elétricos trifásicos se reflete

no fluxo da energia, que passa a ser bidirecional, não apenas devido à energia gerada pelos

autoprodutores, mas também está atrelada a conexão de cargas não lineares monofásicas,

bifásicas e trifásicas. Essas combinações de geração e consumo de energia geram correntes com

diferentes amplitudes (correntes desbalanceadas), que ao transitarem pelas redes de distribuição

resultam em desequilíbrio nas tensões. As diferentes amplitudes nas tensões e nas correntes do

sistema trifásico dão origem ao fenômeno conhecido como assimetria (desequilíbrio/

desbalanço). Além de outros fenômenos de potências como: defasagem entre tensão e corrente

(reativos) e a não linearidade (distorção harmônica). O fluxo de potência ativa e não ativa

(reativos, assimetrias e não linearidade), associado à geração local e ao consumo de energia da

rede são bidirecionais, os efeitos desse fluxo no PAC (ponto de acoplamento comum) são as

interpretações errôneas do fator de potência, além do aumento das distorções harmônicas [1].

Dessa forma, as concessionárias de energia devem adequar o modo de operação dos sistemas

elétricos modernos, levando em conta fenômenos de potências que requerem melhor

interpretações [1-2].

A definição de uma teoria de potência que incorpore essas interações entre a geração e

o consumo de energias ainda é um desafio da engenharia elétrica [1], pois essas condições de

operação requerem definições singulares para quantificar a potência gerada e consumida.

Surgem então teorias de potência que ao longo de décadas têm tentado reinterpretar os sistemas

elétricos para condições não-senoidais e/ou desequilibradas. Cada proposta apresenta foco em

133

uma aplicação, tais como estratégias de compensação, tarifação, mediação de energia ou

monitoração de qualidade de energia [3].

Neste sentido, a CPT [3], e a CPC [4-5] serão utilizadas e avaliadas para encontrar

circuitos equivalentes, isto é caracterizar autoprodutores em sistema trifásicos a 3 e a 4

condutores na presença de distorções e/ou desequilíbrios de tensão. Além disso, esse trabalho

tem por finalidade o estudo e implementação das teorias de potência CPT e CPC, com o objetivo

de comparar as propriedades de potência com os respectivos fenômenos físicos de sistemas

elétricos trifásicos a 3 ou 4 fios.


Até o momento, pode-se dizer que não existe uma teoria de potência que seja

considerada por todos como sendo definitiva, no entanto, existem poucos estudos comparativos

publicados na literatura entre as teorias que se destacam até o momento [6-7]. A CPT e a CPC

serão utilizadas nesse estudo comparativo, a fim de discutir as suas particularidades como, por

exemplo, o domínio da frequência versus domínio do tempo.


O propósito final desse trabalho é apresentar uma metodologia que possa representar os

circuitos equivalentes como uma fonte de tensão ou fonte de corrente, utilizando as

propriedades de potência/corrente das teorias de potência CPT e CPC, a fim de estudar e

comparar as teorias aplicadas aos circuitos em um âmbito de caraterização de carga, apontando

a direção do fluxo harmônico no sistema elétrico. As técnicas de análises serão explicitadas

através de estudos de casos de simulação no software PSIM/SIMCAD.


Estão sendo utilizadas as teorias de potência CPT [3] e a CPC [4-5] como base teórica

para dar continuidade às pesquisas e, para desenvolver novas soluções para às questões

apresentadas nos parágrafos anteriores. Os dados obtidos até o momento estão sendo

consolidados e discutidos.

5 RESULTADOS E DISCURSÃO

Utilizando as condições de fonte de tensão simétrica e carga não linear, foram analisados

os resultados das Figuras 1 e 2. Com relação às análises de valor médio, a CPT usa tais

informações apenas para calcular a integral imparcial, e todo o restante da análise é feita de

forma instantânea. Por outro lado, a CPC é baseada no domínio da frequência, precisando da

Transformada de Fourier, tendo então todo o resultado da análise dependendo do período

completo. Isso significa que qualquer erro proveniente de ruídos e/ou erros de quantização e

amostragem só afeta as componentes reativas na CPT, mas afeta todas as componentes da CPC.

A CPC separa a corrente gerada iG (corrente gerada) como sendo a soma das harmônicas

que têm potência ativa negativa. Se a análise for feita passo a passo, o resultado entre os passos

pode ser completamente diferente, com harmônicas sendo reclassificadas como gerada ou não,

e produzindo um ruído adicional em torno da frequência de amostragem (ou seja, alta

frequência). Se então esse resultado for utilizado para compensação, esses erros produzem uma

realimentação positiva que amplificam, aumentando o ruído de alta frequência.

134

Figura 1 – CPT Figura 2 - CPC

6 CONCLUSÕES

No final do projeto espera-se desenvolver uma metodologia que seja capaz de identificar

os parâmetros de um autoprodutor, ou seja, carga trifásica (linear, não linear, balanceada ou

não), por um circuito equivalente composto por associações (série ou paralelo) de admitâncias

associadas a uma fonte de corrente distorcida ou impedâncias associadas a uma de fonte de

tensão distorcida.


[1] POMILIO, J. A.; BONALDO, J. P.; MORALES-PAREDES, H. K.; TENTI, P. About power

factor and thdi in the smart micro-grid scenario. In: Proc. IEEE 13th Brazilian Power Electronics

Conf. and 1st Southern Power Electronics Conf. (COBEP/SPEC). [S.l.:s.n.], 2015. p. 1–5.

[2] BONALDO, J. P.; PAREDES, H. K. M.; COSTABEBER, A.; POMILIO, J. A. Adaptive

saturation system for grid-tied inverters in low voltage residential micro-grids. In: Proc.IEEE 15th

Int. Conf. Environment and Electrical Engineering (EEEIC). [S.l.: s.n.], 2015. p. 784–789.

[3] PAREDES, H. K. M. et al. Teoria de potência conservativa: uma nova abordagem para o

controle cooperativo de condicionadores de energia e considerações sobre atribuição de

responsabilidades. UNICAMP, [sn], 2011.

[4] CZARNECKI, L. S. New power theory of the 3-phase non-linear asymmetrical circuits supplied

from nonsinusoidal voltage sources, in Proc. IEEE Int 1988. Symp. Circuits and Systems, Jun. 1988,

pp. 1627–1630 vol.2.

[5] CZARNECKI, L. S.; HALEY P. M., Unbalanced power in four-wire systems and its reactive

compensation, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 30, no. 1, pp. 53–63, Feb. 2015.

[6] BOGILA, A. Teorias de Potência Conservativa e Instantânea: Análise Comparativa.Dissertação

(Mestrado) — UNESP, 2014.

[7] JELTSEMA, D.; HARTMAN, M. T.; WOUDE, J. van der. Constitutive currents and power

components for polyphase load analysis under nonsinusoidal and unbalanced conditions. In: Proc.

14th Biennial Baltic Electronic Conf. (BEC). [S.l.: s.n.], 2014. p.249–252. ISSN 1736-3705.

135

UTILIZAÇÃO DE SENSORES PIEZELÉTICOS EM TRANSFORMADORES DE

POTÊNCIA PARA LOCALIZAÇÃO DE FALHAS INCIPIENTES

André Gifalli




RESUMO

A estabilidade e confiabilidade do sistema de transmissão da rede elétrica dependem de uma

operacionalidade correta dos transformadores de potência, por cuja falhas e danos podem causar

interrupções indesejáveis ao sistema. Sendo assim o monitoramento eficiente das falhas

incipientes desses equipamentos de alto valor agregado, para o sistema, colaboram para o

aumento da confiabilidade e eficiência do sistema de transmissão de energia elétrica.

O trabalho proposto tem como objetivo diagnosticar falhas incipientes nos transformadores de

potência com o auxílio de sensores piezelétricos e técnicas de sistemas inteligentes para o

tratamento dos dados. Algumas técnicas de inteligência computacional como: support vector

machine (SVM), Optimum Path Forest (OPF) serão utilizadas para o tratamento de dados para

classificação das falhas.

PALAVRAS-CHAVE: Transformadores, Piezoeletricidade, Diagnostico, Técnicas

Inteligentes.

1 INTRODUÇÃO

O crescente aumento da demanda energética no mundo exige debate e preocupação com

à confiabilidade e qualidade do fornecimento de energia elétrica, seja nos setores de geração,

transmissão ou distribuição de energia. Os centros consumidores, indústria, comercio e

prestação de serviços dependem de uma energia eficiente e de qualidade, já que a energia

elétrica é fundamental para o desenvolvimento desses usuários.

Outro aspecto relevante é a evolução dos métodos de manutenção preditiva e preventiva

do sistema elétrico que é extremamente importante para aumentar a eficiência dos

equipamentos que compõem todo o sistema. Dentro deste contexto, o desenvolvimento de

técnicas que têm como característica a predição de falhas no sistema elétrico torna-se, por

conseguinte, um fator imprescindível para a melhoria dos índices de qualidade e confiabilidade

desse sistema, seja no setor de geração, transmissão ou distribuição de energia.

A utilização dos sensores piezelétricos e das técnicas inteligentes contribuem para

monitoramento e a localização de falhas incipientes em transformadores de potência, sendo de

grande importância para a prevenção de problemas funcionais desses equipamentos.

O objetivo do trabalho proposto é classificar e atribuir classes aos transformadores

analisados, com o uso dos sensores piezelétricos e das ferramentas de inteligência

computacionais. Classes essas que contribuíram para uma manutenção preventiva ou mesmo

corretiva do transformador de potência.


Os transformadores de potência, por serem equipamentos de alto custo, necessitam de

monitoramento e manutenções preventivas constantemente, afim de evitar gastos excessivos

136

com a troca e falha desses equipamentos.

Os transformadores de potência são os aparelhos de alto custo para os sistemas de

transmissão de energia elétrica. Uma substituição devido a uma falha inesperada pode causar

grandes transtornos, além de grandes perdas financeiras. O monitoramento permanente deste

equipamento pode detectar problemas incipientes, evitando que eles se desenvolvam de

maneira descontrolada e causem a falha repentina do transformador. Sendo assim, a

manutenção preditiva de transformadores pode garantir não só uma maior confiabilidade e

eficiência na transmissão da energia elétrica, como também uma redução nos custos de

manutenção (PAPER et al., 2008).

Neste contexto, um problema comum que se desenvolve lentamente ao longo do tempo

e pode levar à falha total do transformador é a descarga parcial. Se não forem detectadas, as

descargas parciais podem deteriorar completamente o sistema de isolamento do equipamento,

levando a uma falha catastrófica.

O surgimento de descargas parciais está relacionado com fatores críticos na operação

destes aparelhos, sobrecarga, superaquecimento, transitórios e sinais elétricos de grande

conteúdo harmônico, colaboram para degradação das propriedades físicas e químicas dos

materiais responsáveis pela isolação do mesmo.

Segundo Hauschild e Lemke (2014), as descargas parciais são consequências de

imperfeições ou não conformidades nos materiais que compõe a isolação do transformador. Um

exemplo disso são os gases dissolvidos nos materiais isolantes sejam eles sólido ou líquido ou

materiais deteriorados. De acordo com Bartley (2003), estas não conformidades, que se

caracterizam pela discrepância da composição físico-químico original do material, geralmente

são inerentes ao processo de fabricação ou mesmo gerados através da degradação e

contaminação do isolamento pelas características de funcionamento ou pelo próprio ambiente.


Este trabalho será realizado nas dependências do “Laboratório de Sistemas de Potência

e Técnicas Inteligentes” (LSISPOTI) do Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de

Engenharia da UNESP, campus de Bauru. Abrigando trabalhos do grupo de pesquisa “Sistemas

de Potência e Técnicas Inteligentes”. Há um conjunto de computadores conectados a WEB e

conta com os softwares Microsoft Office, Matlab, PSCAD, entre outros. Conta também com

equipamentos como: analisador de energia portátil modelo AE-200, osciloscópio digital,

multímetros digitais e medidores de energia eletrônicos e analógicos, bancada de trabalho

eletrônico, fontes, entre outros.

O desenvolvimento do trabalho consiste em três etapas importantes:

Aquisição de sinais oriundos dos sensores piezelétricos gerados por descargas parciais

nos transformadores de potência, descargas essas ocasionadas em pontos diversos do

transformador.

Desenvolvimento do algorítmico com as ferramentas computacionais para o tratamento

dos dados obtidos pelos sensores.

Analise os resultados obtidos e classificação das falhas para manutenção preventiva ou

corretiva do transformador.


Na fase de conclusão do trabalho é esperado que os dados obtidos através de ensaios

nos transformadores, com os sensores piezelétricos, sejam suficientes para aplicação das

ferramentas SVM e OPF para classificação dos transformadores, e que essa aplicação seja uma

137

contribuição para a pesquisa na área de eficiência dos equipamentos de grande valor agregado

do sistema.

5 CONCLUSÕES

O desenvolvimento do trabalho ainda está em fase de levantamento de referências

bibliográficas, sendo necessário maior aprofundamento teórico do mesmo.

Após uma ampla pesquisa e o desenvolvimento de um equipamento, serão realizados

alguns experimentos em transformadores de potência, para que seja avaliado o comportamento

dos sensores piezelétricos na análise de descargas parciais, além de validar o uso de técnicas

inteligentes para localização do fenômeno estudado.


CASTRO, B. A. et al. Assessment of Macro Fiber Composite Sensors for Measurement of

Acoustic Partial Discharge Signals in Power Transformers. IEEE Sensors Journal, v. 17, n. 18,

p. 6090–6099, 2017.

EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Plano Nacional de Energia – PNE 2030. Rio de

Janeiro, jun. 2007

FILHO, G. L. XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 2008 - 06

a 10 de outubro Olinda - Pernambuco - Brasil Método de Emissão Acústica na Medição de

Descargas Parciais em Transformadores de Potência : Uma Ferramenta de Mitigação Geraldo

Lupi. p. 1–12, 2008.

GHOSH, R.; CHATTERJEE, B.; DALAI, S. A method for the localization of partial discharge

sources using partial discharge pulse information from acoustic emissions. IEEE Transactions

on Dielectrics and Electrical Insulation, v. 24, n. 1, p. 237–245, 2017.

GUTNIK, Y. et al. Estudos dos Piezoeletretos como Transdutores Acústicos para Detecção de

Descargas Elétricas em Transformadores. p. 1–6, [s.d.].

PAPER, C. et al. Detecção de descargas parciais em transformadores de potência utilizando

transformada wavelet. n. November 2014, 2008.

ROMUALDO, H. D. P. Identificação , Mensuração e Localização Tridimensional de Descargas

Parciais em Transformadores de Potência com base em Ensaios de Emissão Acústica. p. 1–6,

2014.

ZHANG, W.; CHEN, Q.; ZHAO, H. Numerical Investigation of Acoustic Emissions

Distribution from Partial Discharge in Transformer. v. 0, p. 535–538, 2017.

138

RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO POR

MEIO DA MINIMIZAÇÃO DO GAP DE INTEGRALIDADE

Daisy P. Silva


Edilaine M. Soler


RESUMO

Neste trabalho, o problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo é modelado como um problema

de programação não linear, não convexo, com variáveis de controle contínuas e discretas. Na

formulação adotada nesta pesquisa, este problema visa minimizar as perdas de potência ativa

nas linhas de transmissão elétrica através do ajuste das variáveis respeitando as restrições físicas

e operacionais do Sistema Elétrico de Potência. Propõe-se uma abordagem heurística de

factibilidade e melhoramento de solução por meio da minimização do gap de integralidade das

variáveis discretas para obter soluções factíveis e melhores a cada iteração até que não seja mais

possível. Testes numéricos com os sistemas elétricos IEEE, referência na área de Engenharia

Elétrica, verificam a eficiência da abordagem proposta.

PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo Reativo, Variáveis de Controle Discretas,

Abordagem Heurística de Factibilidade e Melhoramento de Solução, Minimização do Gap de

Integralidade.

1 INTRODUÇÃO

Para que um sistema realizar trabalho, é necessário que ele possua alguma forma de

energia, como: mecânica, potencial, eletromagnética, química, elétrica, dentre outras. Das

várias formas de energia existentes, a energia elétrica, que é produzida baseada na diferença de

potencial elétrico entre dois pontos, se destaca uma vez que ao se referir a suprimento

energético, a eletricidade demonstrou ser uma das formas mais convenientes de energia, sendo

uma das principais fontes de calor, força e luz na sociedade atual, se tornando imprescindível

para a estratégia do desenvolvimento econômico e social de muitas nações. Visto que a

eletricidade tem papel fundamental na sociedade, os Sistemas Elétricos de Potência (SEP)

possuem, portanto, a responsabilidade por fornecer energia elétrica de maneira ótima, ou seja,

com o menor custo possível, o mínimo de interrupções, de qualidade adequada e assim que

solicitada pelo consumidor (NEPOMUCENO, 1997).

Uma maneira muito eficiente de encontrar o ponto ótimo de funcionamento desses

sistemas é por meio da resolução do problema do Fluxo de Potência Ótimo (FPO). O FPO visa

otimizar um dado desemprenho do SEP sujeito às suas restrições físicas e operacionais.

Neste trabalho, aborda-se o problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPOR) que é um

caso específico do problema de FPO no qual as variáveis relacionadas à potência ativa são

fixadas e as relacionadas à potência reativa são ajustadas para minimizar as perdas de potência

ativa nas linhas de transmissão de energia elétrica.

O objetivo deste trabalho é propor uma abordagem heurística de factibilidade e

melhoramento de solução para o problema de FPOR, tratando as variáveis de controle discretas

de forma realista. A abordagem baseia-se na minimização do gap de integralidade das variáveis

discretas visando obter soluções factíveis e melhores a cada iteração até que não seja mais

possível.

139


O problema de FPO foi proposto durante a década de 1960 (CARPENTIER, 1962),

porém na literatura a maioria das abordagens de solução não tratam o problema conforme a

realidade do SEP, devido à dificuldade de solução imposta pelas variáveis discretas do

problema, muitas das abordagens da literatura fixam, relaxam continuamente, ou até mesmo,

desconsideram as variáveis de controle discretas. A experiência indica que arredondar a solução

contínua para os valores discretos mais próximos são aceitáveis para variáveis de controle

discretas com espaçamento regular e pequenos, como é o caso dos taps dos transformadores.

Entretanto, o arredondamento pode não fornecer boas soluções para variáveis discretas com

espaçamento irregular e grande como é o caso das susceptâncias shunt. Além disso, a técnica

de arredondamento pode levar o sistema a pontos de operações subótimos ou até mesmo

infactíveis. O tratamento adequado das variáveis discretas em problemas de FPO tem recebido

significativa atenção desde o final da década de 1980 (TINEEY,1988),

(PAPALEXOPOULOS,1989). Algoritmos de aproximação linear e não linear clássicos da

literatura como Branch-and-Bound e Outer Approximation, entre outros, que visam à resolução

de problemas de programação não linear com variáveis discretas e contínuas, levam muito

tempo computacional para a resolução de problemas de FPO de grande porte.

Assim, devido à importância do problema de FPOR e o grau de dificuldade em obter

boas soluções para este problema quando consideradas as variáveis discretas, torna-se de grande

importância o desenvolvimento de novas abordagens de resolução para este problema.


Neste trabalho, o problema de FPOR é modelado como um problema de programação

não linear, não convexo e com variáveis contínuas e discretas com passos regularmente

espaçadas e irregularmente espaçadas entre si. Para tanto, propõe-se, neste trabalho, inspirados

em Melo, Fampa, Raupp (2012) e em Melo (2012), uma abordagem heurística de factibilidade

que consiste em encontrar soluções factíveis para o problema FPOR e uma heurística de

melhoramento de solução que consiste em melhorar as soluções obtidas a cada iteração até que

não seja mais possível. Utiliza-se a função polinomial proposta em Silva (2016) como medida

para o gap de integralidade das variáveis discretas. Para resolver os problemas contínuos a cada

iteração utiliza-se o método de pontos interiores implementado no solver IPOPT em interface

com software GAMS.


Os testes numéricos foram realizados com os sistemas elétricos IEEE, referência na área

de engenharia elétrica. O valor da função objetivo foi menor a cada iteração, entretanto não

necessariamente a solução da última iteração, que possui menor valor para a função objetivo, é

a melhor solução do ponto de vista da confiabilidade do sistema elétrico, uma vez que o perfil

de tensão pode tornar-se mais elevado ao longo do processo iterativo. Assim, cabe ao operador

do sistema de transmissão de energia elétrica analisar e escolher uma das soluções fornecidas

pela abordagem proposta.

5 CONCLUSÕES

O FPO é considerado importante na área de engenharia elétrica e desafiador na área de

otimização e neste trabalho modelado de forma realista tornando-se de difícil resolução. Para

140

tanto, neste trabalho propõe-se uma abordagem heurística de factibilidade e melhoramento de

solução do problema de FPOR baseado na minimização do gap de integralidade das variáveis

discretas. Tais heurísticas obtém soluções factíveis melhores a cada iteração até que não seja

mais possível. Testes numéricos com os sistemas elétricos IEEE foram realizados e verificam

a eficiência da abordagem heurística na solução do problema de FPOR. Futuramente, serão

realizados testes numéricos com sistemas de grande porte para avaliar a eficiência da

abordagem proposta para a resolução do problema de FPOR.


CARPENTIER, J. Contribution a l’etude du dispatching economique. Bulletin de la Societe

Francaise des Electriciens, v. 3, p. 431-447, 1962.

MELO, W. A. X; FAMPA, M. M. C.; RAUPP F. M. P. Uma heurística de minimização de

gap para Programação Não Linear Inteira Mista com variáveis binárias. In: CONGRESO

IBERO-AMERICANO DE INSVESTIGACION OPERATIVA E SIMPÓSIO BRASILEIRO

DE PESQUISA OPERACIONAL, 2012, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: FGV. 2012,

p. 3412-3423.

MELO, W. A. X. Algoritmos para Programação Não Linear Inteira Mista. 2012. 96 f.

Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Computação) – UFRJ, Rio de Janeiro,

2012.

NEPOMUCENO, L. Modelos de otimização equivalente para minimização de perdas

através de FPO Newton. 2012. 147 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) -

Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 1997.

PAPAPLEXOPOULOS, A. D. Large-scale optimal power flow: effects of initialization,

decoupling and discretization. IEEE Transactions on Power Systems. v. 4, n. 2, p. 748-759,

1989.

SILVA, D.P. Funções Penalidade para o Tratamento das Variáveis Discretas do Problema

de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. 2016. 115 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia

Elétrica) - Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2016.

TINNEY, W. F, Some deficiencies in optimal power flow. IEEE Transactions on Power

Systems, v. 3, n. 2, p. 676-683, 1988.

141

DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR TIPO FONTE Z APLICADO EM KIT

DIDÁTICO PARA ESTUDOS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Felipe Augusto Ferreira de Almeida


Prof. Dr. Flávio Alessandro Serrão Gonçalves


RESUMO

Este trabalho consiste no desenvolvimento de conversores do tipo fonte Z com rede de

impedância aplicados em kits didáticos para utilização em práticas de ensino envolvendo

sistemas fotovoltaicos. Abrange desde projeto, simulação dos circuitos até a sua futura

implementação.

PALAVRAS-CHAVE: Energia solar fotovoltaica, kits didáticos, Engenharia Elétrica,

Conversores.

1 INTRODUÇÃO

O desenvolvimento sustentável baseia-se fundamentalmente na inovação e

desenvolvimento de tecnologias de conversão e aproveitamento de recursos energéticos

naturais. [1]

O processo fotovoltaico consiste na conversão da energia emitida pelo Sol em energia

elétrica. Entre 2010 e 2016, a capacidade global instalada de sistemas fotovoltaicos cresceu

cerca de 40%, 16% da eólica e 3% da hídrica [2]. O uso da energia fotovoltaica permite a

produção de energia para consumo próprio em edifícios comerciais e residenciais, com geração

distribuída de eletricidade, despachando o excedente produzido para distribuição na rede do

sistema elétrico, contribuindo para a redução de perdas no Sistema Interligado Nacional (SIN).

Com o crescimento da utilização de energia solar fotovoltaica surge a necessidade de

mão de obra especializada, e consequentemente a abertura de novos cursos em escolas técnicas

e de nível superior, tornando indispensável ao aluno o conhecimento dos princípios e métodos

de geração de energia elétrica a partir da energia solar, conhecendo profundamente este tipo de

conversão de energia.

Desta forma, para auxiliar no processo ensino-aprendizagem, são utilizados kits

didáticos para as aulas de práticas em laboratório.


A energia solar fotovoltaica é a fonte de energia que mais cresce no mundo [3]. Os

sistemas fotovoltaicos de energia elétrica podem ser isolados ou conectados à rede [3]. As

aplicações com sistemas conectados à rede, exigem que seja implementada uma interface entre

a geração em CC do módulo fotovoltaico e a rede CA. Essa interface é denominada conversor

CC-CA ou inversor [4].

Existem diversas topologias de conversores, podendo ser classificadas em duas grandes

classes, isolados e não-isolados [5]. Os conversores isolados utilizam transformadores em sua

topologia, proporcionando isolação elétrica e ganhos de tensão. Em redes de baixa tensão a

isolação galvânica nem sempre é um requerimento, sendo esta uma vantagem em relação ao

custo do conversor. Os inversores com topologia sem transformadores podem ser classificados

142

de acordo com o número de estágios, podendo ser de duplo estágio ou estágio único. Um

inversor do tipo ponte completa pode ser empregado no segundo estágio com o objetivo de

reduzir custos e perdas no chaveamento [6, 7].

Na conversão CC-CA uma das alternativas para superar as limitações existentes nas

topologias de inversores tipo fonte de tensão é a utilização de uma rede de fonte de impedância

(fonte-Z) na conversão de energia. Uma das limitações está relacionada à necessidade da tensão

de entrada do estágio da ponte seja maior que a tensão do barramento da rede, o que exige um

conversor CC-CC elevador de elevado ganho ou um estágio de isolação para realizar essa

elevação. Outra limitação da estrutura convencional é o fato dos interruptores superiores e

inferiores de cada braço da ponte não poderem conduzir simultaneamente, o que causaria

danos aos interruptores. Para evitar esse problema de condução contínua, são adicionados

intervalos de tempo nos sinais de comando das chaves interruptoras, denominado tempo morto,

que provoca distorções nas formas de onda de corrente [8].

A topologia original do tipo fonte Z utiliza uma única rede de impedância formada por

um circuito com indutores L e capacitores C para criar um novo estado operacional denominado

“shoot-through” existente no estado zero, sendo usado para realizar a elevação de tensão de

saída desejada, sem tempo morto e sem causar danos aos interruptores.

Diferentes estratégias de modulação PWM devem ser analisadas para controlar os

inversores empregados com diferentes redes de impedância com utilização de diferentes formas

de aplicação do estado nulo de “shoot-through”, com o objetivo de redução de componentes

empregados, aumento de ganho, aumento de rendimento e preocupação com qualidade de

energia referente à forma de onda da corrente drenada [9]. Por outro lado, essa nova abordagem

passa a ter um sistema onde existe um aumento dos esforços de tensão nos semicondutores.

Uma das vertentes de aplicação do conversor com rede de impedância é na utilização

com módulos fotovoltaicos de baixa potência, e a aplicação em kits didáticos para o ensino de

disciplinas relacionadas à área.


Realização de estudos de comparação das principais topologias de inversores de rede de

impedância e a aplicação destes em sistemas com módulos fotovoltaicos. Análise das diferentes

técnicas de modulação aplicadas e modificadas, bem como das estratégias de busca do MPPT,

através de simulações computacionais, desenvolvimento de protótipos tanto do sistema de

controle como do sistema de potência.

O kit possuirá as seguintes funcionalidades:

Técnicas de rastreamento solar, usando tanto localizadores físicos como por

algoritmos de software;

Ajuste de conversor para rastreador de ponto de máxima potência (MPPT –

Maximum Power Point Tracking) usando as principais técnicas (Tensão

Constante; Perturbação e Observação; Condutância incremental; Hill Clibing);

Monitoramento de grandezas do sistema (potência dos módulos fotovoltaicos,

tensão, corrente, curva I-V, temperatura);

IHM para interface de monitoramento;

Sistema de supervisão.


Obtenção de uma metodologia consistente para o projeto dos elementos que compõe o

conversor, levando a construção de um conversor que apresente características vantajosas para

143

aplicação em sistemas de geração baseado em painéis fotovoltaicos e em kits didáticos.

Definição da modelagem do sistema.

Definição da metodologia para o projeto do sistema de controle.

Definição de funções de transferência do conversor.

Testes de diferentes estratégias de MPPT para verificar quais se adequam às situações

propostas.


[1] E. B. Pereira; F. R. Martins, A. R. Gonçalves, R. S. Costa, F. J. L. de Lima, R. Rüther,

S. L. de Abreu, G. M. Tiepolo, S. V. Pereira, J. G. de Souza, “Atlas Brasileiro de Energia Solar”

2.ed. ‐‐ São José dos Campos : INPE, 2017. 88p.: il. (E‐BOOK)

[2] REN21. 2017.Renewables 2017 Global Status Report (Paris: REN21 Secretariat).

[3] Cruz, D. T. “Micro e minigeração eólica e solar no Brasil: Propostas para desenvolvimento

do setor”. Dissertação de mestrado – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas. São Paulo, 2015

[4] F. Blaabjerg , C. Zhe and S. B. Kjaer, "Power electronics as efficient interface in dispersed

power generation systems", IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 5, pp. 11841194,2004

[5] Y. Xue , L. Chang , S. B. Kjaer , J. Bordonau and T. Shimizu, "Topologies of single-phase

inverters for small distributed power generators: An overview", IEEE Trans. Power Electron.,

vol. 19, no. 5, pp. 1305-1314, 2004.

[6] M. Kusakawa , H. Nagayoshi , K. Kamisako and K. Kurokawa, "Further improvement of a

transformerless, voltage-boosting inverter for ac modules", Solar Energy Mater. Solar Cells,

vol. 67, pp. 379-387, 2001.

[7] W. Yu , L. Jih-Sheng , H. Qian , C. Hutchens , J. Zhang , G. Lisi , A. Djabbari , G. Smith

and T. Hegarty, "High-efficiency inverter with H6-type configuration for photovoltaic

nonisolated ac module applications", Proc. IEEE 25th Annu. Appl. Power Electron. Conf.

Expo., pp. 1056-1061, Feb. 2010.

[8] F. Z. Peng, "Z-source inverter", IEEE Trans. Ind. Appl. , vol. 39, no. 2, pp. 504-510, 2003.

[9] Y. P. Siwakoti, F. Z. Peng, F. Blaabjerg, P. C. Loh, G. E. Town and S. Yang,

"ImpedanceSource Networks for Electric Power Conversion Part II: Review of Control and

Modulation Techniques," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 1887-

1906, April 2015.

144

INVESTIGAÇÃO DO MÉTODO DE PONTO INTERIOR E PENALIDADE E

PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM VARIÁVEIS DISCRETAS

Jéssica A. Delgado


Profª. Drª. Edméa Cássia Baptista


RESUMO

O Fluxo de Potência Ótimo Reativo é um problema de otimização restrito, não linear, não

convexo, com variáveis contínuas e discretas e de grande porte que busca o melhor ponto de

operação de um sistema elétrico. Neste trabalho é proposto uma nova abordagem que utiliza o

método de Ponto Interior e Penalidade para a resolução do problema de Fluxo de Potência

Ótimo Reativo com variáveis de controle discretas. Para tratamento das variáveis discretas será

utilizada uma estratégia que transforma o problema discreto em um problema contínuo

utilizando uma função penalidade que obriga as variáveis assumirem valores discretos

PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo; Método de Ponto Interior; Método

Penalidade.

1 INTRODUÇÃO

O problema Fluxo de Potência Ótimo (FPO) é representado matematicamente como um

problema de otimização não linear, restrito, não convexo e de grande porte, com variáveis

contínuas ou discretas. Ele otimiza uma determinada função objetivo, a qual satisfaz algum

desempenho do sistema, e satisfaz as restrições de igualdade - equações de fluxo de potência -

e as de desigualdade - restrições físicas e operacionais do sistema. Neste trabalho exploramos

três métodos: o dual-Lagrangiano, o de Ponto Interior e o de Penalidade para resolução do FPO.

O método dual-Lagrangiano foi desenvolvido para resolver problemas convexos. Sua

estratégia é a de associar ao problema uma função auxiliar, que incorpora as restrições de

igualdade à função objetivo, utilizando os multiplicadores de Lagrange.

Os métodos de Penalidade são uma importante classe de métodos para a obtenção da

solução de problemas de otimização restritos. O método utiliza uma função penalidade que

transforma um problema restrito num problema irrestrito e resolve uma sequência destes. As

restrições são adicionadas à função objetivo através de um parâmetro de penalidade de modo a

penalizar qualquer violação das restrições.

O Método de Ponto Interior (MPI) surgiu no trabalho de (KARMARKAR,1984). Esse

tipo de método já havia sido proposto em (FRISCH, 1955) e (FIACCO, 1968), com o nome de

função barreira, porém devido à problemas de mau condicionamento da matriz Hessiana

passaram a não serem utilizados. Isso se modificou após o trabalho de Karmarkar. No início da

década de 90, o autor (GRANVILLE, 1994) foi o primeiro a utilizar um método da classe dos

MPIs, denominado de primal-dual barreira logarítmica (PDBL), na resolução do FPO. As

vantagens do PDBL é a facilidade de tratar as restrições de desigualdade pela função barreira

logarítmica, a sua velocidade de convergência e o fato que o ponto inicial não necessita ser

estritamente interior. Porém, apresenta desvantagens tais como: a sensibilidade ao parâmetro

de barreira, em alguns casos o método pode divergir e a necessidade da garantia das folgas

serem não negativas em todo o processo iterativo.

Na maioria das abordagens propostas na literatura para a resolução do FPO, os controles

145

discretos são modelados como variáveis contínuas, porém estas formulações estão longe da

realidade de um sistema elétrico de potência, pois alguns controles podem ser somente

ajustados por passos discretos (SOLER; ASADA; DA COSTA, 2013). Assim, uma abordagem

para tratar as variáveis discretas é tratá-las como contínuas e penalizar a função objetivo quando

estas variáveis assumem valores não discretos.

Assim tendo em vista a importância do FPO e a busca por métodos mais eficientes e

robustos de solução é a proposta, neste projeto, o desenvolvimento de um novo método neste

trabalho.

2 METODOLOGIA

A metodologia proposta neste projeto consiste em resolver um problema não linear

(PNL) contínuo, cuja solução é equivalente ao problema não linear contínuo e discreto. Esse

problema é obtido incorporando na função objetivo do problema original uma função que

penaliza a função objetivo quando as variáveis discretas assumem valores não discretos. A

solução do PNL é determinada pelo método de Pontos Interiores e Penalidade.

3 CONCLUSÕES

Pretende-se aplicar esta união de métodos na resolução do FPO com variáveis de

controle discretas de maiores dimensões e obter uma abordagem eficiente tanto para resolver o

FPO, quanto outros problemas de otimização não linear.


CARPENTIER, J. Contribution to the economic dispatch problem. Bulletin de la

Societe Francoise des Electriciens, v. 3, n. 8, p. 431–447, May 1962.

CURTIS, F. E. A penalty-interior-point algorithm for nonlinear constrained

optimization. Mathematical Programming Computation, v. 4, n. 2, p. 181–209, June. 2012.

FIACCO, G., AV &.McCormick. Nonlinear programming: SUMT. [s.l.] Wiley, New

York, 1968.

FRISCH, K. The logarithmic potential method of convex programming.

Memorandum, University Institute of Economics, Oslo, v. 5, n. 6, 1955.

GRANVILLE, S. Optimal reactive dispatch through interior point methods. Power

Systems, IEEE Transactions on, v. 9, n. 1, p. 136–146, February 1994.

KARMARKAR, N. A new polynomial-time algorithm for linear programming.

Proceedings of the sixteenth annual ACM symposium on Theory of computing. Anais...ACM,

November 1984.

SOLER, E. M.; ASADA, E. N.; DA COSTA, G. R. Penalty-based nonlinear solver for

optimal reactive power dispatch with discrete controls. Power Systems, IEEE Transactions

on, v. 28, n. 3, p. 2174–2182, August. 2013.

146

MODELOS DE OTIMIZAÇÃO PARA PLANTIO E COLHEITA DE CANA-DE-

AÇÚCAR E CANA-ENERGIA CONSIDERANDO-SE GRAUS-DIA

Gilmar Tolentino




RESUMO

O foco deste trabalho é investigar modelos de otimização matemática para o planejamento do

plantio e colheita de cana-de-açúcar e cana-energia, que maximizem, respectivamente, a

produção de açúcar e etanol, bem como a produção de energia das usinas sucroenergéticas.

Objetiva-se a maximização da produção da usina considerando-se a produtividade de sacarose

das variedades plantadas de cana-de-açúcar e a produtividade de massa seca e fibra da cana-

energia. Além destes fatores, será considerado o estudo dos graus-dia da região de plantio,

visando o ápice de produtividade de sacarose da cana-de-açúcar, bem como a melhor produção

de fibra para a cana-energia, respectivamente, no período da sua colheita. Para resolução destes

modelos serão investigados métodos determinísticos e heurísticos, os quais serão

implementados em linguagem de programação MatLab. Considera-se ainda para a resolução

destes modelos, explorar o software CpLex inserido no Solver-Gams a fim de comparação de

resultados.

PALAVRAS-CHAVE: Otimização, cana-de-açúcar, cana-energia, modelos

1 INTRODUÇÃO

Baseando se em Tolentino (2007), Lima (2013), Florentino e Pato (2014), Ramos

(2014), Isler (2016), Souza (2017) e Caversan (2017), este trabalho visa a investigação de

modelos que escolha a variedade de cana-de-açúcar que deve ser plantada e colhida nos talhões,

levando em consideração a sua produtividade, de forma a maximizar a produção de sacarose e

energia, minimizando o custo de produção destas variedades. O estudo é estendido para o

plantio e colheita da cana-energia, de tal forma a inseri-la nos modelos, levando-se em

consideração a otimização da sua produtividade em matéria seca para a geração de energia

térmica. Os modelos investigados devem considerar a incidência de Graus-Dia para a

determinar o melhor período da colheita da cana-de-açúcar e cana-enerigia. Estes problemas de

decisão, em geral são problemas de programação inteira com grande número de variáveis e

restrições é de difícil resolução, e neste caso, procedimentos híbridos que exploram métodos

determinísticos e heurísticos poderão ser investigados para resolução, embasados em Goldberg

(1989) e Balbo et al. (2012), bem como explorar a programação inteira 0-1 e genéticos, o

método branch-and-bound ou branch-and-cut, visto em Bazaraa e Shetty (1979) entre outros.

Para implementação deste modelo matemático será usada a linguagem de programação MatLab

e o software CpLex inserido no Solver-Gams a fim de comparação de resultados.


Neste trabalho é dada ampla ênfase a elaboração de modelos de otimização a partir de

problemas reais no setor sucroalcooleiro. Para a busca de solução dos modelos existentes,

podem ser utilizados métodos que exploram a teoria de otimização, tal como, o método

147

Simplex, desenvolvido em Dantzig (1963). Tem-se também a possibilidade de se utilizar

métodos inseridos em uma nova metodologia, denominados Métodos de Pontos Interiores,

desenvolvidos a partir do trabalho pioneiro de Karmarkar (1984), denominado de algoritmo de

transformação projetiva. Estes modelos matemáticos, em geral são problemas de programação

inteira com grande número de variáveis e restrições é de difícil resolução, e neste caso,

procedimentos híbridos que exploram métodos determinísticos e heurísticos podem ser

investigados para resolução.

Tolentino (2007) apresentou dois modelos decidindo quais variedades de cana-de-

açúcar devem ser plantadas nos talhões disponíveis que produzam massa seca que minimizam

o custo operacional de colheita e maximizem o balanço de energia no aproveitamento destes

resíduos. Florentino e Pato (2014), apresentam um modelo multiobjetivo que consiste em

minimizar o custo de transporte da biomassa residual do campo para centro de processamento

e maximizar o balanço de energia, simultaneamente. Souza (2017) e Caversan (2017)

investigaram modelos que escolhem variedades de cana-de-açúcar que devem ser plantadas e

colhidas nos talhões, levando em consideração a produtividade, de forma a maximizar a

produção total de sacarose ao longo de quatro cortes. O modelo de Caversan (2017) investiga

também o plantio e colheita da cana-energia, levando-se em consideração a otimização da sua

produtividade em matéria seca para a geração de energia térmica.


Baseado em Souza (2017), Ramos (2014), Isler (2016) e Caversan (2017), propõe-se

um modelo multiobjetivo minimizando o custo operacional de plantio e colheita da cana e

maximizando a produção da usina, envolvendo cana-de-açúcar e cana-energia. Nesta

modelagem considera duas tomadas de decisão: a primeira consiste em determinar, para cada

talhão, qual variedade de cana-de-açúcar ou cana-energia e em que período deve ser plantada.

A segunda decisão é determinar qual o período de colheita da variedade plantada em cada

talhão, de acordo com a produtividade de sacarose da cana-de-açúcar e a produtividade de

massa seca da cana-energia, que são diferentes. Para decisão da colheita, também será

considerado o Graus-Dia da região de plantio da cana-de-açúcar ou cana-energia.


Caversan (2017) testou computacionalmente o modelo matemático em vinte variedades

de cana-de-açúcar e cinco variedades de cana-energia usando a implementação proposta no

trabalho de Souza (2017), adaptada para receber as novas informações referentes às variedades

do tipo cana-energia, obtendo excelentes resultados e mostrando a eficiência do planejamento

otimizado no plantio e colheita destas modalidades de cana.

A proposta deste trabalho é modelar um problema multiobjetivo envolvendo o custo

operacional de plantio e colheita da cana-de-açúcar e cana-energia de tal forma a minimizar o

custo operacional e maximizar a produção da úsina, considerando o Graus-Dia na colheita.

5 CONCLUSÃO

Este trabalho propõe um modelo multiobjetivo que busca maximizar a produção da

usina e minimizar o custo operacional de plantio e colheita da cana-de-açúcar e cana energia,

definindo a variedade que deverá ser plantada em cada talhão disposto para cada cultura. A

simulação computacional no modelo de Caversan (2017) monstra que o modelo é válido na

escolha das variedades tanto de cana-de-açúcar quanto de cana-energia a serem plantadas em

148

seus respectivos talhões e é viável computacionalmente. Também mostra eficiência no

planejamento otimizado de plantio e colheita a fim de atender as demandas mensais de

produção da usina. Espera-se que com a conversão do modelo para multiobjetivo e a introdução

da função Graus-Dia, seja possível definir com mais detalhes as variedades de cana-de-açúcar

e cana-energia que devem ser escolhidas para satisfazer toda a produção da usina levando-se

em consideração as condições climáticas na região de plantio.


BALBO, A. R., SOUZA, M. A. S., BAPTISTA, E. C. e NEPOMUCENO, L. (2012). A predictor

corrector primal-dual interior-point method for solving the multi-objective environmental economic

dispatch problems: a post-optimization analysis. Mathematical Problems in Engineering (Print), 2012:1–26.

BAZARAA, M. S. e SHETTY, C. M., Nonlinear Programming: Theory and Algorithms. John-Willey

& Sons, Inc., 1979.

CAVERSAN, A.S. Modelo matemático para planejamento do plantio e colheita da cana-de-açúcar

e da cana-energia. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia, Universidade

Estadual Paulista, Bauru, 2017.

DANTZIG, G. B. Linear Programming and Extensions Princeton, NJ: Princeton University Press,

1963.

FLORENTINO, H. O; PATO, M. V., A Bi-Objective Genetic Approach for the Selection of

Sugarcane Varieties to Comply with Environmental and Economic Requirements (June 2014). Journal of the

Operational Research Society, Vol. 65, Issue 6, pp. 842-854, 2014.

GOLDBERG, D. E. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning. Reading,

MA: Addison-Wesley, 1989.

ISLER, P. R. Planejamento ótimo de plantio e colheita da cana-de-açúcar utilizando graus-dias.

2016. vii, 125 f. Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas de

Botucatu, Botucatu – SP, 2016.

KARMARKAR, N., A new polynomial time algorithm for linear programming. Combinatoria 4,

373-395, 1984.

LIMA, C. Métodos híbridos de pontos interiores e de programação inteira 0-1 para problemas de

custo de colheita da cana-de-açúcar e de custo de coleta e geração de energia relacionados à sua biomassa. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista,

Bauru, 2013.

RAMOS, R. P. Planejamento do plantio e da colheita de cana-de-açúcar utilizando técnicas

matemáticas de otimização. Tese de Doutorado em Agronomia - Faculdade de Ciências Agronômicas de

Botucatu – Universidade Estadual Paulista, Botucatu, 2014.

SOUZA, M. L. P. S. Planejamento otimizado do plantio e colheita da cana-de-açúcar para a

maximização da produção de sacarose considerando uma demanda mensal da usina. Dissertação de Mestrado

em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2017.

TOLENTINO, G. Programação linear inteira aplicada ao aproveitamento do palhiço da cana-de-

açúcar. Dissertação de Mestrado, Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, Botucatu,

SP, 2007.

149

ESTUDOS E PLANEJAMENTO ESTRATÉGICO PARA PRECIFICAÇÃO DO

CUSTO DA ENERGIA EM DIVERSOS CENÁRIOS NO SETOR DE ENERGIA

BRASILEIRO

Alexander S. Maranho




RESUMO

Em muitos países em todo o mundo, a eletricidade é agora negociada sob regras do mercado

usando local e contratos de derivativos. No entanto, a eletricidade é uma mercadoria muito

especial. É economicamente não armazenável, e a estabilidade do sistema de alimentação

requer um equilíbrio constante entre a produção e consumo. Ao mesmo tempo, a demanda

eletricidade depende das condições meteorológicas. Uma variedade de métodos e ideias têm

sido tentadas para previsão de preço da eletricidade (EPF) básicas de preços de eletricidade e

previsão (formação de preço), escrita em um módulo de previsão de preços com base em redes

neurais. Assim, a necessidade de construir metodologias e procedimentos para prever

necessidades de eletricidade tornou-se proeminente e uma questão importante. Com base nas

metodologias e quadro construídos, é possível definir quais ações devem ser tomadas para

cumprir a eletricidade exigida pela sociedade.

PALAVRAS-CHAVE: Previsão de demanda de Energia, Preço de Energia, Previsão a longo

e médio prazo.

1 INTRODUÇÃO

Planejamento e gestão de energia sempre representou um grande desafio para a maioria

dos países em todo o mundo. Desde o início da Revolução Industrial, um dos principais gargalos

para crescimento da economia foi a disponibilidade de energia, não apenas devido à falta de

eletricidade, mas também à escassez de outros recursos energéticos. Uma variedade de métodos

e ideias têm sido tentadas para previsão de preço da eletricidade (EPF) ao longo dos últimos 15

anos, com variados graus de sucesso.

No entanto, a eletricidade é uma mercadoria muito especial. É economicamente não

armazenável, e a estabilidade do sistema de alimentação requer um equilíbrio constante entre a

produção e consumo. Ao mesmo tempo, a demanda eletricidade depende das condições

meteorológicas (temperatura, velocidade do vento, precipitação, etc.) e a intensidade dos

negócios e atividades cotidianas (no pico vs. horas de pico, durante a semana vs. fins de semana

e feriados e perto.

O trabalho está no momento de uma grande revisão em regiões onde o estudo é

desenvolvido, as variáveis consideradas, frequência dos dados utilizados, horizonte de previsão

e métricas usadas para avaliação de resultados e modelos de desempenho representa parte da

informação que a sistemática revisão pretende se concentrar em uma análise mais aprofundada

e destacar algumas tendências recentes.

O objetivo deste trabalho é desenvolver modelos computacionais quanto ao uso de

ferramentas para previsão do preço de Energia no setor energético do Brasil. Os modelos

pesquisados e os mais estudados são os estatísticos seguidos pelos métodos de inteligência

computacional.

150

Como estudo na revisão da literatura, há definitivamente potencial utilizando a

modelagem computacional. Com o aumento do poder das redes neurais e da Inteligência

Artificial, a calibração em tempo real destes modelos complexos se tornará viável, aos que

esperamos ver mais aplicações EPF nos próximos anos.

2 METODOLOGIA

O trabalho está em fase de investigação científica, através do levantamento do estado

da arte sobre estudos relacionados a previsão de preços a médio e longo prazo na demanda de

energia no planejamento energético nacional.


WANG, G. GROZEV E S. SEO. Previsão de carga de energia de meia-longa baseado em cinza

previsão e apoio máquina de vetor dinâmico. Energia 2012; 41: 313-325.

BIANCO, O. MANCA, E S. NARDINI. Previsão de consumo de eletricidade na Itália,

utilizando modelos de regressão linear. Energia 2009; 34:1413-1421,

L. GHODS; M. KALANTAR. Diferentes métodos de previsão de demanda de carga elétrica de

longo prazo; uma revisão abrangente. Jornal iraniano de Engenharia Elétrica e Eletrônica 2011;

7: 249-259.

AMT THOMÉ, LF SCAVARDA, NS FERNANDEZ, E AJ SCAVARDA. Vendas e operações

de planejamento: Uma síntese de pesquisa. Int. Jornal Economics Production 2012; 138: 1-13.

R. WERON. Eletricidade previsão de preços: Uma revisão do estado da arte, com um olhar

para o futuro. International Journal of Forecasting 2014; 30: 1030-1081.

151

SISTEMAS DE RECOMENDAÇÃO EM SMART HOME COM FOCO EM

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Rodrigo Moura Juvenil Ayres


Prof. Dr. André Nunes de Sousa


RESUMO

Através da adição de componentes de sensoriamento, comunicação e acionamento, dispositivos

e eletrodomésticos tornam-se cada vez mais "inteligentes" para que possam se comunicar uns

com os outros, transmitir dados aos usuários finais e facilitar a operação e automação remotas,

por exemplo, durante períodos de pico de demanda. Um dos principais benefícios das técnicas

inteligentes é o potencial para suportar reduções de energia e gerenciamento do lado da

demanda. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo propor uma arquitetura de

sistema para recomendar sugestões aos moradores de casas inteligentes, visando redução de

custos e eficiência energética. O trabalho inclui a implementação de um serviço web de

mineração RESTFul, que é usado na mineração de dados, classificando os dados sobre o

sistema de recomendação proposto. Por meio da transmissão do modelo de dados JSON, dados

são convertidos automaticamente em estruturas de Instâncias JSON e processados algoritmos

de mineração de dados.

PALAVRAS-CHAVE: Smart Home, Sistemas de Recomendação, Eficiência energética.

1 INTRODUÇÃO

Os altos custos de energia elétrica e as preocupações ambientais são pontos chaves que

levam os países a investir cada vez mais em energia renovável, motivam a utilização de

equipamentos residenciais com melhores classificações de consumo e incentivam hábitos que

estejam alinhados ao consumo eficiente de energia no dia a dia. Isso porque o setor residencial

possui grande impacto sobre o consumo total de energia elétrica no brasil e no mundo. Em

2017, o setor foi responsável por aproximadamente 28% do consumo total de energia elétrica

do país, perdendo apenas para o setor industrial EPE (2017). Este montante justifica a aplicação

de estratégias que incentivem a busca por melhores padrões de eficiência energética. Em outras

regiões do mundo o percentual mante-se semelhante, na Europa, por exemplo, o setor

residencial é responsável por cerca de 25% do consumo total de eletricidade Agency (2018).

Mesmo o setor industrial possuindo um percentual de consumo maior do que o

residencial, tradicionalmente este setor já preza pela eficiência de seus processos como um todo,

visto que desperdícios durante qualquer uma das etapas irá influenciar diretamente no valor do

produto e consequentemente, na competitividade de seu produto no mercado. Desta maneira,

abordagens que visam o consumidor residencial devem levar a maiores economias.

De acordo com Harper (2003), é de extrema importância que a tecnologia seja utilizada

pelas famílias como ferramenta de auxilio em seus esforços para o consumo consciente e

sustentável de energia elétrica. Um indicador bastante evidente sobre isso são as casas

inteligentes, ou Smart Homes, que trazem as mais variadas capacidades ao toque do usuário,

como poder verificar o ambiente de sua residência remotamente ou mesmo poder ligar sua

cafeteira em casa, assim que sair do serviço. Elas estão diretamente relacionadas com o termo

152

conectividade, pois são empregadas técnicas computacionais que possibilitam a

intercomunicação direta ou remota entre os mais diversos dispositivos do meio em questão.

Uma smart home pode ser definida como uma rede de comunicação incorporada a

residência que conecta aparelhos elétricos e serviços. De forma mais detalhada, é uma

residência que possui aparelhos, iluminação, aquecimento, ar condicionado, TVs,

computadores, sistemas de áudio e vídeo e outros componentes capazes de se comunicar uns

com os outros, podendo, inclusive, serem controlados remotamente. Além de conforto e

segurança, smart home pode proporcionar, também, a eficiência energética. Dentro deste

contexto, este trabalho tem como objetivo a exploração de sistemas inteligentes aplicados ao

contexto de smart home. O objetivo específico do trabalho é a implementação de um sistema

que seja capaz de avaliar dados de consumo energético provenientes de diferentes residenciais

e sugerir possíveis melhores configurações de utilização para diferentes perfis de usuário,

visando melhorias em termos de consumo energético. A Figura 1 ilustra a arquitetura da

proposta.

Figure 1 – Arquitetura do Sistema Proposto.


De acordo com King (2003) o conceito de casas inteligentes foi desenvolvido desde a

década de 1990. De acordo com definições mais recentes, uma casa que é inteligente o

suficiente para ajudar os habitantes a viver de forma independente e confortavelmente com a

ajuda da tecnologia é denominada casa inteligente. Em uma casa inteligente, todos os

dispositivos mecânicos e digitais estão interligados para formar uma rede, que pode se

comunicar entre si e com o usuário para criar um espaço interativo. Harper (2003) define a casa

inteligente como um aplicativo que é capaz de automatizar ou auxiliar os usuários de diferentes

formas.

Dentro deste contexto, sistemas de recomendação aplicam técnicas de análise de dados

com intuito de auxiliar usuários a encontrar aquilo que deseja. Na mesma linha, filtros

colaborativos constituem-se uma técnica que busca similaridades em hábitos dos usuários para

predizer suas decisões futuras. Schweizer (2014), por exemplo, discute como os padrões de uso

e as preferências dos habitantes podem ser aprendidos eficientemente para permitir que as casas

inteligentes obtenham economias de energia de forma autônoma. Os autores propõem um

algoritmo de mineração de padrão sequencial adequado para dados de eventos residenciais da

153

vida real. O desempenho do algoritmo proposto é comparado aos algoritmos existentes quanto

à completude / exatidão dos resultados, tempos de execução, bem como consumo de memória

e elabora as deficiências das diferentes soluções. Além disso, um sistema de recomendação

baseado no algoritmo desenvolvido fornece recomendações aos usuários para reduzir seu

consumo de energia.


O trabalho vem sendo desenvolvido no laboratório de sistemas de potência e técnicas

inteligentes do departamento de engenharia elétrica da Unesp Bauru. O laboratório conta com

computadores e softwares específicos da área.

O desenvolvimento do trabalho está subdividido em quatro etapas principais:

Levantamento bibliográfico e estado da arte.

Modelagem e simulação dos dados de consumo elétrico em smart home.

Especificação da arquitetura do sistema proposto e implementação do mesmo.

Validação dos resultados e escrita da tese.

4 CONCLUSÕES

O trabalho encontra-se em fase de desenvolvimento. Até o momento foram realizadas

as atividades de levantamento bibliográfico e implementações iniciais do sistema proposto. Os

experimentos iniciais estão sendo desenvolvidos com dados do próprio grupo de pesquisa,

provenientes de trabalhos anteriores. Como trabalhos futuros serão realizadas simulações de

geração de dados utilizando o Simulink e a validação dos dados simulados com os resultados

obtidos de tomadas inteligentes a serem implementadas.

REFERÊNCIAS

AGENCY, E. E. Final energy consumption by sector. 2018.

EPE, E. DE P. E. Anuário Estatístico de Energia Elétrica 2017. 2017.

HARPER, R. Inside the Smart Home. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2003.

KING, N. “Smart home. A definition” Intertek Research and Testing Center, pp. 1-6, 2003

SCHWEIZER, D. Learning frequente and periodic usage patterns in smart homes. 2014. School

of Business, University of Applied Sciences and Nortwestern Switzerland, 2014.

154

ABORDAGENS DE SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA

ÓTIMO REATIVO COM VARIÁVEIS DISCRETAS E LIMITE

NO NÚMERO DE CONTROLES

Marielena F. Tófoli




RESUMO

Propõe-se uma nova abordagem de solução para o problema de fluxo de potencia ótimo reativo

com variáveis discretas e restrições de operação associadas à geração. As restrições de operação

associadas a geração inseridas no modelo do problema abordado têm o objetivo de restringir de

forma eficiente a atuação dos geradores no sistema de potência. Estes geradores necessitam ser

ajustados de modo que seja possível reduzir o número de controle para o operador do sistema.

A proposta é reduzir estes controles e/ou até mesmo estabelecer uma quantidade desejada de

controle destes geradores. Com um estudo detalhado dos controles no sistema de energia

espera-se um resultado de otimização nas decisões do operador do sistema. O problema de

Fluxo de Potência Ótimo Reativo com variáveis discretas e restrições de operação associadas à

geração é formulado como um problema de programação matemática com restrições de

igualdade, desigualdade e equilíbrio (complementariedade). Tais restrições de equilíbrio

inseridas no problema trazem desafios na solução do problema, de modo que novas abordagens

de solução sejam exploradas. Espera-se destas novas abordagens de solução uma otimização

dos controles para o operador do sistema, levando em consideração a viabilização prática do

sistema de energia.

PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo Reativo, Restrição de Equilíbrio;

Complementariedade; Geração.

1 INTRODUÇÃO

O problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo (FPOR) tem com objetivo otimizar

um critério associado a potência reativa do sistema elétrico levando em conta seus limites

físicos e operacionais. O propósito do problema de FPOR é determinar o melhor ponto de

operação do sistema elétrico através de uma função objetivo e um conjunto de restrições. Este

problema é geralmente utilizado como uma ferramenta para o planejamento e determinação da

operação dos sistemas elétricos de potência.

O objetivo deste trabalho é propor uma nova abordagem de solução para o problema de

fluxo de potência ótimo reativo com variáveis discretas e restrições de operação associadas à

geração de modo a reduzir ou estabelecer o número de controle associado à geração do sistema,

visando otimizar a quantidade de decisões de controle do operador do sistema. A motivação

surgiu através das deficiências apresentadas no problema de fluxo de potência ótimo reativo,

onde, por muitas vezes, sua solução fica dificultada devido a grande quantidade de controles

que é manipulada em sua solução. Deste modo, o projeto visa focar na operação do sistema,

inserindo novas restrições que representam os controles com o objetivo de criar uma ferramenta

de auxílio para o operador do sistema de energia elétrica. A abordagem proposta será

implementada no software MATLAB (Matrix Laboratory).

155

2 METODOLOGIA

O FPOR é formulado matematicamente como um problema de otimização não linear

com restrições de desigualdade/igualdade e com variáveis discretas e contínuas. O problema de

FPOR sujeito a determinadas circunstâncias como, por exemplo, o comportamento da operação

associada à geração, é modelado de acordo com regras de operação, as quais irão determinar

quando os controles devem ou não devem ser alterados. Com as restrições de equilíbrio

inseridas no problema de FPOR, algumas qualificações de restrições usuais não se mantêm em

nenhum ponto viável, assim, este projeto estuda outros conceitos como Clark, Mordukhovich

e condições de estacionariedade forte (as quais são especialmente definidas para problemas

matemáticos com restrições de equilíbrio). Estes novos conceitos tem como objetivo garantir

um ponto viável do problema, já que em algumas situações, condições conhecidas como, por

exemplo, Karush-Kuhn-Tucker (KKT), perdem seu significado de garantia. O problema

matemático com restrições de equilíbrio (MPEC) é um problema de otimização restrita, em que

as restrições essenciais são definidas por algumas desigualdades variacionais paramétricas ou

sistemas de complementaridade paramétrica.

Um problema de MPEC:

min ( )

. : ( ) 0

( ) 0

0 ( ) ( ) 0

f x

s a g x

h x

G x H x

onde: : , : , :n n p n qf g h e , : n mG H são todas duas vezes

diferenciáveis, enquanto que significa que a é perpendicular a b.

A solução de um MPEC é dificultada devido a qualificação das restrições, assim,

surgindo a necessidade de novas condições de otimalidade necessárias e suficientes,

qualificações de restrições, análise de estabilidade e sensibilidade. Estas novas condições serão

estudadas e aplicadas ao problema de FPOR com tais restrições de equilíbrio proposto.

Portanto, como um problema de FPOR é um problema de otimização não-linear, este

projeto tem o foco em estudar novas condições tipo KKT para o MPEC que será proposto por

meio do problema de FPOR.


As restrições de operação (ou de equilíbrio) que são associadas a geração do problema

de FPOR, considerando-o assim como um problema de FPOR com restrições de

complementariedade, tem relação com a redução de número de ações de controle efetivamente

implementadas no sistema. Espera-se com a pesquisa abordada encontrar soluções para tais

situações em que os métodos tradicionais, como os que utilizam o conceito de estacionariedade

forte (KKT), por exemplo, não encontram. Com um estudo detalhado dos controles do sistema

espera-se um resultado de otimização nas decisões do operador do sistema, levando em

consideração a viabilização prática do sistema de energia.


SOLER, E.; ASADA, E. and DA COSTA, G. Penalty-Based Nonlinear Solver for Optimal

Reactive Power Dispatch With Discrete Controls. IEEE Transactions on Power Systems. v.

28, n.3, p. 2174-2182, August 2013.

156

GABRIEL S. A., CONEJO A. J., FULLER J. D., HOBBS B. F. and RUIZ C. Complementarity

Modeling in Energy Markets. Springer. Vol. 180, 2013.

GUO L., LIN G., YE J. Solving Mathematical Programs with Equilibrium Constraints. J Optim

Theory Appl. V. 116, p. 234-256, Janeiro 2015.

157

APLICAÇÃO DE UMA FUNÇÃO PENALIDADE

POLINOMIAL TRIGONOMÉTRICA NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE

FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO

Camila Mara Nardello Mazal


Prof. Dr. Edméa Cássia Baptista

Orientador – Depto de Matemática – Unesp – Bauru


Coorientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru

RESUMO

O objetivo deste trabalho é propor uma abordagem para resolução do problema de Fluxo de

Potência Ótimo Reativo que considera a natureza discreta das variáveis do problema. Desta

forma, será utilizada uma função penalidade para tratar as variáveis discretas, a qual transforma

o problema discreto em uma sequência de problemas contínuos, e o método primal-dual barreira

logarítmica para resolver esses problemas. Esta Função Penalidade será obtida por meio do

resultado da interpolação trigonométrica dos pontos que correspondem aos valores discretos

dos taps dos transformadores. Testes numéricos serão realizados com os Sistemas Elétricos de

Potência do IEEE, o solver KNITRO em interface com o software GAMS e a função penalidade

desenvolvida.

PALAVRAS-CHAVE: Método primal-dual barreira logarítmica; função penalidade; Fluxo de

Potência Ótimo.

1 INTRODUÇÃO

O problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) é representado matematicamente por

um problema de otimização não linear, restrito, não convexo, de grande porte e com variáveis

de controle contínuas e discretas. Ele determina o melhor ponto de operação de um sistema

elétrico de potência e satisfaz as restrições operativas. Um caso particular do problema de FPO,

é o Fluxo de Potência Ótimo Reativo (FPOR), em que as variáveis relacionadas à potência ativa

são fixadas e a otimização somente considera as variáveis relacionadas à potência reativa, o

qual será abordado neste trabalho.

Muitos métodos já foram utilizados para resolução do problema de FPOR, entre eles,

damos destaque ao método primal-dual barreira logarítmica (PDBL) utilizado nos trabalhos de

(GRANVILLE, 1994), (WU et al, 1994) e (TORRES & QUINTANA, 1998).

Muitos métodos utilizados na resolução do FPOR desconsideram a natureza discreta das

variáveis de controle, sendo que, algumas variáveis, em um sistema elétrico real só podem ser

ajustadas por passos discretos.

Neste trabalho, o objetivo é propor uma abordagem para resolução do problema FPOR

que considera a natureza discreta das variáveis do problema. Desta forma, será utilizada uma

função penalidade para tratar as variáveis discretas, a qual transforma o problema discreto em

uma sequência de problemas contínuos, e o método primal-dual barreira logarítmica para

resolver esses problemas. Esta função penalidade será obtida por meio da interpolação

trigonométrica dos pontos que correspondem aos valores discretos dos taps dos

transformadores.

158

Testes numéricos serão realizados com os Sistemas Elétricos de Potência do IEEE, o

solver KNITRO em interface com software GAMS – General Algebric Modeling System

(www.gams.com) e a função penalidade desenvolvida, a fim de analisar a eficiência da

abordagem proposta.


O problema de FPO foi proposto no início da década de 60, por Carpentier (1962). Em

seu modelo Carpentier propôs a incorporação das equações de fluxo de potência ao problema

de Despacho Econômico, com o intuito de encontrar o ponto ótimo de operação para um sistema

elétrico de potência.

Após a formulação matemática do FPO por Carpentier, inúmeros trabalhos com novas

técnicas de otimização e/ou com mudanças na modelagem deste problema foram publicados na

literatura especializada. As técnicas de otimização, diferem entre si, basicamente pela trajetória

do processo de otimização e as variações na modelagem do problema, incluem o uso de outros

tipos de funções objetivo e de outras restrições.

Dentre esses trabalhos damos destaque a alguns que abordam as variáveis discretas do

problema de FPOR como: Soler (2011) que apresentou um tratamento eficiente para as

variáveis discretas utilizando uma função de penalidade senoidal na resolução do FPOR, Silva

(2016) que apresentou uma função penalidade obtida através de interpolação polinomial e

aplicou-a na resolução do FPOR e Tófoli (2017) que utilizou a função senoidal apresentada em

Soler (2011).


O problema de FPOR pode ser representado matematicamente por:

k

i

j

min max

k y y

Minimizar F x

g x, y 0, i 1, 2, ..., m

h x, y 0, j 1, 2, ..., psujeito a :

x x x

y D , k 1, 2, ..., n

(1)

em que: o vetor das variáveis x representa a magnitude de tensão, os ângulos, os tap dos

transformadores e as susceptâncias shunt. A função objetivo, F(x), representa algum

desempenho do sistema. As restrições de igualdade ig x , i 1, 2, ..., m , caracterizam as

equações do fluxo de potência, as quais são obtidas impondo-se o princípio da conservação de

potência ativa e reativa em cada barra da rede. As restrições de desigualdade

jh x , j 1, 2, ..., p , representam as restrições funcionais como: os limites de potência

reativa nas barras de geração e de controle de tensão e os limites de fluxos ativos e reativos nas

linhas de transmissão.

Para resolver o problema (01) será utilizada uma função penalidade obtida através da

interpolação polinomial trigonométrica, a qual transforma o problema discreto em uma

sequência de problemas contínuos e o método PDBL será utilizado na resolução destes

problemas. Neste método as restrições de desigualdade são transformadas em igualdade

utilizando variáveis de folga positivas. As variáveis de folga são tratadas por meio da função

barreira logarítmica, e as demais restrições através de multiplicadores de Lagrange. Uma função

http://www.gams.com/

159

lagrangiana é determinada e as condições necessárias de primeira ordem são aplicadas a esta

função, as quais geram um sistema não-linear, o qual será resolvido pelo método de Newton.

4 DESENVOLVIMENTO

Até o presente momento investigamos o método PDBL implementado no solver

KNITRO e a estratégia da função penalidade para transformar o problema discreto em contínuo.

5 CONCLUSÕES

Observamos através da investigação de trabalhos da literatura que a utilização de

funções penalidade para o tratamento de variáveis discretas é eficiente. Neste trabalho

pretendemos desenvolver um novo tipo de função penalidade baseado na interpolação

polinomial trigonométrica.


CARPENTIER, J.L. (1962). Contribution a L’etudedu Dispatching Economique. Bull-Soc.

FrElec.,Ser. B3, p. 431 – 447.

GRANVILLE, S. (1994). OptimalReactiveDispatchThrough Interior Point Methods. IEEE

Transactionson Power Systems, v. 9, p. 136-146.

TORRES, G.L.; QUINTANA, V.H.; TORRES, G.L. (1998). Optimal Power Flow in

Rectangular Form via an Interior Point Method.IEEE Transactionson Power Systems, v.

13, n. 4, p. 1211-1218.

SILVA, D.P. (2016). Funções penalidade para o tratamento das variáveis discretas do

problema de fluxo de potência ótimo reativo. 115p. 29/03/2016. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Elétrica). Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2016.

SOLER, E.M. Resolução do problema de fluxo de potência ótimo com variáveis de controle

discretas. 01/03/2011. 110p. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Escola de Engenharia

de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos, 2011.

WU, Y.C.; DEBS, A. S.; MARSTEN, R. E. (1994). A direct nonlinear predictor-corrector

primal-dual interior point algorithm for optimal Power flows. Power Systems, IEEE

Transactions on, 9(2), 876-883.

TÓFOLI, M.F. (2017). Solução do fluxo de potência ótimo reativo com variáveis discretas

utilizando um método de pontos interiores e exteriores com estratégia de correção de

inércia. 111p. 02/06/2017. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Faculdade de

Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2017.

160

O PROBLEMA DE MÁXIMO CARREGAMENTO BASEADO NO FATOR DE

POTÊNCIA COM VARIÁVEIS CONTÍNUAS E DISCRETAS

Graciliano Antonio Damazo


Profª. Dra. Edméa Cassia Baptista


Profª. Dra. Edilaine Martins Soler

Co-Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru

RESUMO

Este artigo apresenta uma análise do problema de máximo carregamento através de um modelo

de fluxo de potência ótimo baseado no fator de potência de demanda ajustável (FPDA), com

variáveis contínuas e discretas. Os resultados são comparados ao modelo de fator de

carregamento comum (FCC) que apresenta desvantagens como o aumento de forma

proporcional para as demandas de potência ativa e reativa, e a ausência de controle do fator de

potência da demanda. No modelo FPDA, demandas ativas e reativas podem aumentar com um

padrão de carga flexível, manter o fator de potência desejado em todas as barras de carga e

melhorar a eficiência operacional do sistema.

PALAVRAS-CHAVE: Fator de Potência Demanda. Otimização. Máximo Carregamento.

Variáveis Discretas.

1 INTRODUÇÃO

O Ponto de Máximo Carregamento (PMC) é a carga máxima que um sistema de energia

pode suportar dentro das restrições impostas na geração, transmissão e operação (CHANG,

2014). A análise baseada no PMC é uma maneira eficiente de avaliar um sistema de energia no

estado estável e fornecer uma margem de segurança para os operadores do sistema

(ACHARJEE, 2012). O presente trabalho tem por objetivo obter o PMC de sistemas elétricos

utilizando o modelo (FPDA) com um tratamento adequado das variáveis de controle discretas.

Desta forma, o problema de máximo carregamento, formulado como um problema de

otimização não linear de variáveis contínuas e discretas, será testado no IEEE 30 barras,

resolvido pelo solver Knitro na plataforma GAMS.


Um método para encontrar o PMC é através de um conjunto de soluções sucessivas de

Fluxo de Cargas (FC) convencionais, aumentando-se gradualmente as demandas até que a

convergência não exista mais. Aprimoramentos realizados para abordagens baseadas em FC

não podem ser adequadamente aplicados às abordagens baseadas em Fluxo de Potência Ótimo

(FPO), que abrangem em seus modelos, mais restrições de ordem práticas da rede (KASMAEI,

2014). Nos últimos anos, para encontrar o PMC, os modelos baseados em FPO têm sido

amplamente utilizados, o que desempenha um papel importante nos problemas operacionais,

baseados em tomada de decisões e orientados para o mercado (CONEJO et al. (2016)). Na

maioria dos trabalhos baseados em FPO, a demanda de potência reativa aumenta com uma

relação predefinida com a demanda de potência ativa para encontrar o PMC. Em geral, as

161

demandas aumentam até que a bifurcação sela-nó seja atingida. Isso não significa que o sistema

esteja no PMC, que é um limite físico, mostra a divergência do cálculo do fluxo de potência,

que é uma falha matemática. Para sanar esse problema, Kasmaei et al. (2017) apresenta um

novo modelo, baseado no fator de potência de demanda das barras de carga. Trabalhos atuais

formulam o problema de máximo carregamento como contínuo, e dessa forma, não descrevem

o problema com a realidade necessária, já que os controles só podem ser ajustados por passos

discretos.


A pesquisa é desenvolvida em campo teórico e computacional. Com base na

investigação do Problema de Máximo Carregamento far-se-á uma comparação dos resultados

do Ponto de Máximo Carregamento obtidos em um modelo FCC, com o modelo FPDA, com

ambos modelos levando em consideração a natureza discreta das variáveis de controle.


No sistema IEEE 30 as variáveis discretas são os taps dos transformadores e as

susceptâncias shunt. As tensões das barras variam entre 0,95 e 1,05 pu.

Tabela 1: Resultados no PMC

Barra

Condições

iniciais FCC

(FPDA)

fp=0,90 fp=0,95

Nº Pd_inicial Qd_inicial Pd_final Qd_final Fp Pd_final Qd_final Fp Pd_final Qd_final Fp

3 0,024 0,012 0,045 0,022 0,90 1,021 0,012 1,00 0,947 0,012 1,00

4 0,076 0,016 0,142 0,03 0,98 1,457 0,016 1,00 1,416 0,016 1,00

6 0 0 0 0 0,00 5,445 0 1,00 5,505 0 1,00

7 0,228 0,109 0,426 0,204 0,90 1,609 0,109 1,00 1,669 0,109 1,00

9 0 0 0 0 0,00 0,399 0 1,00 0,255 0 1,00

10 0,058 0,02 0,108 0,037 0,95 0,058 0,02 0,95 0,061 0,02 0,95

12 0,112 0,075 0,209 0,14 0,83 0,852 0,075 1,00 0,856 0,075 1,00

14 0,062 0,016 0,116 0,03 0,97 0,062 0,015 0,97 0,062 0,015 0,97

15 0,082 0,025 0,153 0,047 0,96 0,082 0,025 0,96 0,082 0,025 0,96

16 0,035 0,018 0,065 0,034 0,89 0,037 0,018 0,90 0,055 0,018 0,95

17 0,09 0,058 0,168 0,108 0,84 0,12 0,058 0,90 0,176 0,058 0,95

18 0,032 0,009 0,06 0,017 0,96 0,032 0,009 0,96 0,032 0,009 0,96

19 0,095 0,034 0,178 0,064 0,94 0,095 0,034 0,94 0,103 0,034 0,95

20 0,022 0,007 0,041 0,013 0,95 0,022 0,007 0,95 0,022 0,007 0,95

21 0,175 0,112 0,327 0,209 0,84 0,231 0,112 0,90 0,341 0,112 0,95

22 0 0 0 0 0,00 0 0 0,00 0 0 0,00

23 0,032 0,016 0,06 0,03 0,89 0,033 0,016 0,90 0,049 0,016 0,95

24 0,087 0,067 0,163 0,125 0,79 0,138 0,067 0,90 0,204 0,067 0,95

25 0 0 0 0 0,00 0 0 0,00 0 0 0,00

162

26 0,035 0,023 0,065 0,043 0,83 0,047 0,023 0,90 0,07 0,023 0,95

27 0 0 0 0 0,00 0 0 0,00 0 0 0,00

28 0 0 0 0 0,00 0,44 0 1,00 0,257 0 1,00

29 0,024 0,009 0,045 0,017 0,94 0,024 0,009 0,94 0,027 0,009 0,95

30 0,106 0,019 0,198 0,036 0,98 0,106 0,019 0,98 0,106 0,019 0,98

Barra

Carga 1,375 0,645 2,571 1,206 ---- 12,311 0,644 ---- 12,295 0,744 ----

Barras

geração 1,459 0,617 2,728 1,154 ---- 1,459

-

1,398 ---- 1,459

-

4,080 ----

Total 2,834 1,262 5,299 2,360 0,90 13,770 -

0,754 ---- 13,754

-

3,336 ----

Variáveis discretas de controle

Variáveis FCC FPDA(fp=0,90) FPDA(fp=0,95)

taps

t6_9 0,97 0,97 0,95

t6_10 1,05 1,05 1,03

t4_12 1,04 1,04 0,95

t28_27 1,05 1,05 1,05

Susceptância

shunt

bsh_10 0,20 0,20 0,20

bsh_24 0,24 0,24 0,24

Função Objetivo F 2,571 12,311 12,295

No início, o total ativo das barras de carga é de 1,375pu, enquanto no PMC, com o

modelo FCC, o mesmo passa a ser 2,571pu, enquanto que no modelo FPDA com fp=0,90 e

fp=0,95, ele assume 12,311pu e 12,295pu, respectivamente. Observa-se que as barras de carga

6, 9 e 28, sem carga inicial, são carregadas no PMC somente no modelo FPDA, o que demonstra

a flexibilidade do modelo que permite a distribuição de suas demandas pelas barras de acordo

com a topologia do sistema e condições de carregamento. A Tabela1 evidencia que o fator de

potência de algumas barras no modelo FCC, assumem valor muito baixo, como pode-se

observar na barra 24 cujo fator de potência é 0,79. Outras barras como 12, 17, 21 e 26 também

possuem fator de potência baixo, o que é uma deficiência do modelo.

4 CONCLUSÕES

Este artigo acrescentou aos modelos FCC e FPDA o tratamento das variáveis de controle

levando em consideração sua característica discreta. A partir dos resultados pôde-se observar

que os métodos, foram eficientes e ajudaram a explicitar a vantagem do modelo FPDA. O

modelo FPDA possibilitou aproveitar mais o potencial de carregamento do sistema, ao utilizar

melhor a flexibilidade do modelo, distribuir as cargas de acordo com o nível de carregamento

e sua topologia, além de manter o fator de potência acima de um mínimo pré-definido. Essas

características deixaram os resultados mais realistas e aplicáveis na prática.

163


ACHARJEE, P. Identification of maximum loadability limit and weak buses usingsecurity

constraint genetic algorithm, Int. J. Electr. Power Energy Syst. 36 (1)(2012) 40–50, 2012.

CHANG, Y.C. Multi-objective optimal thyristor controlled series compensator installation

strategy for transmission system loadability enhancement, IET Gener. Transm. Distrib. 8

(March (3)) (2014) 552–562, 2014.

CONEJO, A.J. et al. Investment in Electricity Generation and Transmission, Springer

International Publishing, 2016.

KASMAEI, M. P.; RIDER, M.J.; MANTOVANI,J.R.S. An unequivocal normalization-based

paradigm to solve dynamic economic and emission active-reactive OPF (optimal power flow),

Energy 73 (2014) 554–566, 2014.

KASMAEI, M. P.; CONTRERAS, J.; MANTOVANI, J. R. S. A demand power factor-based

approach for finding the maximum loading point. Electric Power Systems Research, v. 151, p.

283-295, OCT 2017.

164

RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM PONTO

DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA E RESTRIÇÕES DE SEGURANÇA

Adilson Preto de Godoi


Profa. Dra. Edméa Cássia Baptista

Orientadora – Depto de Matemática – Unesp – Bauru

RESUMO

O problema de Fluxo de Potência Ótimo foi inicialmente formulado por Carpentier em 1962 e

após isso, vários trabalhos foram apresentados, os quais abordam diferentes modelos para o

problema de Fluxo de Potência Ótimo. Neste trabalho damos destaque ao problema de Fluxo

de Potência Ótimo com Restrição de Segurança, no qual, são consideradas as contingências que

podem ocorrer no sistema elétrico, o problema é dividido em duas etapas, as decisões da

primeira etapa são de controle preventivo, enquanto as segundas são de controle corretivo. A

proposta é resolver o Problema de Fluxo de Potência Ótimo com Ponto de Válvula e Restrição

de Segurança utilizando o Método Primal-Dual de Barreira Logarítmica.

PALAVRAS-CHAVE: Otimização. Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança.

Fluxo de Potência Ótimo com Ponto de Carregamento de Válvula. Método Primal-Dual

Barreira Logarítmica.

1 INTRODUÇÃO

Resolver o problema Fluxo de Potência Ótimo (FPO) consiste em determinar um ponto

ótimo de operação para o Sistema Elétrico de Potência (SEP) levando em conta um determinado

objetivo, melhorando o desempenho do sistema e respeitando os limites operacionais e físicos

da rede elétrica.

O problema de Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança é mais desafiador

do que o problema de FPO, segundo Capitanescu et al. (2011), pois a dimensão do problema é

significativamente maior, existe a necessidade de lidar com variáveis discretas e também é um

problema sujeito a incertezas, pois todo o sistema está sujeito a apresentar alguma contingência

(queda de uma linha de transmissão ou saída de um gerador), a qualquer momento, de maneira

que a estrutura do problema pode ser alterada, devido a inclusão e exclusão de determinadas

restrições. O problema descrito pode ser entendido como um problema de tomada de decisão

em duas etapas, na primeira etapa, são tomadas decisões preventivas em tempo real sobre um

cenário conhecido, o que impacta diretamente na função objetivo, por outro lado, as decisões

da segunda etapa são de controle corretivo, que são aplicadas apenas após alguma ocorrência

de certas contingências para garantir a viabilidade do sistema. O Fluxo de Potência Ótimo com

Restrição de Segurança é um problema de otimização restrita, não linear, não convexo, de

grande porte, com variáveis discretas e canalizadas tornando-o assim, de difícil resolução e sua

formulação será apresentada na próxima seção.

2 O PROBLEMA FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM RESTRIÇÃO DE

SEGURANÇA

O problema de Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança é uma importante

ferramenta para os operadores de transmissão, tanto para o planejamento operacional do

165

sistema, quanto para a precificação da energia.

Alguns sistemas elétricos estão operando com sobrecarga e isso gera uma incerteza na

garantia do atendimento da demanda, pois pode ocorrer alguma eventualidade. O FPO não leva

isso em consideração, porém o Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança considera

que algumas contingências podem acontecer, tendo isso como premissa, ao resolver o Fluxo de

Potência Ótimo com Restrição de Segurança já temos uma previsão do cenário e com isso pode-

se tomar a decisão mais correta para o caso. Neste trabalho levamos em consideração o critério

de segurança (N-1), ou seja, a ocorrência de uma contingência por vez. Com isso, a dificuldade

do modelo se dá pela formulação do problema, por sua dimensão, a não convexidade das

funções, a não diferenciabilidade da função objetivo, entre outros.

A formulação do problema de Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança,

apresentada por Capinatescu et. al (2011), é descrito matematicamente da seguinte maneira:

𝑴𝒊𝒏𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓 𝒇(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) (1)

𝒔𝒖𝒋𝒆𝒊𝒕𝒐 𝒂: 𝒈𝟎(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) = 𝟎 (1.1)

𝒉𝟎(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) ≤ 𝑳𝒍 (1.2)

𝒈𝒌𝒔 (𝒙𝒌

𝒔 , 𝒖𝟎) ≤ 𝟎 (1.3)

𝒉𝒌𝒔 (𝒙𝒌

𝒔 , 𝒖𝟎) ≤ 𝑳𝒔 (1.4)

𝒈𝒌(𝒙𝒌, 𝒖𝒌) = 𝟎 (1.5)

𝒉𝒌(𝒙𝒌, 𝒖𝒌) ≤ 𝑳𝒎 (1.6)

|𝒖𝒌 − 𝒖𝟎| ≤ ∆𝒖𝒌 (1.7)

Adotando-se 𝒌 = 𝟎 para o caso de pré-contingência e 𝒌 = 𝟏, … , 𝒄 para os casos de pós-

contingência. Em que: 𝒇(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) é a função objetivo de minimização do custo de geração com

ponto de válvula; 𝒙𝟎, 𝒙𝒌𝒔 , 𝒙𝒌 são as variáveis de estado pré-contingência, pós-contingência por

um curto período e pós-contingência após o redespacho, respectivamente; 𝒖𝟎, 𝒖𝒌 são as

variáveis de controle pré-contingência e pós-contingência, respectivamente; 𝒈𝟎, 𝒈𝒌𝒔 , 𝒈𝒌 são

expressões matemáticas que definem as restrições de balanço de potência ativa e reativa do

estado pré-contingência, pós-contingência por um curto período e pós-contingência após o

redespacho, respectivamente; 𝒉𝟎, 𝒉𝒌𝒔 , 𝒉𝒌 são expressões matemáticas que definem as restrições

de potência gerada, magnitude das tensões, taps dos transformadores, geração de reativo e

reativa do estado pré-contingência, pós-contingência por um curto período e pós-contingência

após o redespacho, respectivamente; ∆𝒖𝒌 é o vetor de máximos ajustes permitidos para as

variáveis de controle entre o caso base e 𝒌 − é𝒔𝒊𝒎𝒐 caso de pós-contingência.

O problema de (1.0)-(1.2) é o caso base, sem segurança. O problema de (1.0)-(1.4) é o

caso preventivo, seguro, porém caro. Já o problema de (1.0)-(1.7) é o caso corretivo, com um

custo intermediário, seguro e admite um possível ajuste caso ocorra uma determinada

contingência.

A função objetivo (1.0), utilizada neste trabalho, é o custo de produção de energia de

unidades termelétricas. Ela é representada matematicamente da seguinte maneira:

𝑪(𝑷𝑮) = ∑𝒂𝒌𝑷𝑮,𝒌𝟐 + 𝒃𝒌𝑷𝑮,𝒌 + 𝒄𝒌 + |𝒆𝒌𝒔𝒆𝒏(𝒇𝒌(𝑷𝑮𝒎𝒊𝒏,𝒌 − 𝑷𝑮,𝒌))|

𝒌∈𝑮

(1.8)

166

em que: 𝑪(𝑷𝑮) é o custo de geração de energia para o sistema elétrico; 𝑷𝑮,𝒌 é a potência gerada

na barra k; 𝒂𝒌, 𝒃𝒌, 𝒄𝒌, 𝒆𝒌, 𝒇𝒌 são os coeficientes da função custo de cada gerador k; 𝑷𝑮𝒎𝒊𝒏,𝒌 é o

limite inferior de geração do gerador k.

As variáveis do problema são: potência gerada nas barras de geração, magnitude das

tensões e os ângulos das tensões nas barras.

A parte modular da função objetivo representa os pontos de carregamento de válvula.

Estes termos modulares, sendo um para cada gerador, torna a resolução do problema ainda mais

difícil, pois a função objetivo torna-se não-diferenciável. Para contornar o problema da não-

diferenciabilidade é utilizada uma técnica de suavização do termo modular.

3 SUAVIZAÇÃO HIPERBÓLICA

Com o objetivo de contornar a não-diferenciabilidade da função custo devido a presença

do termo modular, utilizamos a suavização hiperbólica proposta por Junior (2010), Souza

(2010) e Xavier&Xavier (2011). A técnica utiliza um parâmetro β positivo que controla a

suavização da função. Desta forma, considere a função 𝒇: 𝑹 → 𝑹 tal que 𝒇(𝒙) = |𝒙|, logo a

suavização é feita da seguinte maneira:

𝑺 = √(𝒇(𝒙))𝟐

+ 𝜷 (1.9)

em que 𝜷 > 𝟎.

4 O MÉTODO PRIMAL-DUAL BARREIRA LOGARÍTMICA

O Método Primal-Dual Barreira Logarítmica (PDBL) é uma ferramenta eficiente para

resolução de problema de otimização, pois otimiza um determinado problema com restrições

de igualdade e desigualdade. Considere o problema de otimização a seguir:

𝑴𝒊𝒏𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓 𝒇(𝒙) (2.0)

𝒔𝒖𝒋𝒆𝒊𝒕𝒐 𝒂: 𝒈𝒊(𝒙) = 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒑 (2.1)

𝒉𝒊(𝒙) ≤ 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒎 (2.1)

em que: 𝒙 ∈ 𝑹𝒏, 𝒈(𝒙) ∈ 𝑹𝒑, 𝒉(𝒙) ∈ 𝑹𝒎.

O método PDBL transforma as restrições (2.1) em igualdades através da adição de

variáveis positivas, denominadas folgas, modificando-o para o seguinte problema equivalente:

𝑴𝒊𝒏𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓 𝒇(𝒙) (2.3)

𝒔𝒖𝒋𝒆𝒊𝒕𝒐 𝒂: 𝒈𝒊(𝒙) = 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒑 (2.4)

𝒉𝒊(𝒙) + 𝒔𝒊 = 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒎 (2.5)

𝒔𝒊 ≥ 𝟎 (2.6)

em que: 𝒔𝒊 ∈ 𝑹𝒎.

As variáveis de folga são adicionadas na função objetivo por meio da uma função

barreira logarítmica e as demais restrições (2.3) e (2.4) também são adicionadas na função

167

objetiva através dos multiplicadores de Lagrange. Desse modo temos a seguinte função

Lagrangiana:

𝑳(𝒙, 𝒔, 𝝀, 𝝅) = 𝒇(𝒙) − 𝝁 ∑ 𝐥𝐧 (𝒔𝒋)

𝒎

𝒋=𝟏

− ∑ 𝝀𝒊𝒈𝒊(𝒙)

𝒑

𝒊=𝟏

− ∑ 𝝅𝒋[𝒉𝒋(𝒙) − 𝒔𝒋]

𝒎

𝒋=𝟏

(2.7)

sendo 𝝁 o parâmetro de barreira, um número positivo, 𝝀𝒊, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒑 e 𝝅𝒋, 𝒋 = 𝟏, … , 𝒎 os

vetores dos multiplicadores de Lagrange, denominados de variáveis duais.

Na função (2.6) são aplicadas as condições necessárias de primeira ordem de KKT,

obtendo o seguinte sistema, não linear:

𝛁𝒅𝑳 = 𝟎 (2.8)

Para a resolução do sistema (2.7) é utilizado o método de Newton.

5 TESTES NUMÉRICOS

Nós resolvemos os três modelos, caso base, preventivo e corretivo. O sistema utilizado

foi o IEEE 14 barras. Para os casos preventivo e corretivo foi simulada uma contingência, ou

seja, a queda da linha que liga as barras 2 e 4. A linha foi escolhida por possuir nível de fluxo

de potência elevado. Os problemas foram resolvidos através do Método Primal-Dual Barreira

Logarítmica utilizando o pacote de otimização KNITRO de Waltz e Platenga (2010).

Na tabela a seguir são apresentados os resultados dos problemas resolvidos.

Geradores Caso base Preventivo Corretivo

Pg1 43,2MW 37,4MW 37,8MW

Pg2 96,8MW 0MW 3,2MW

Pg3 12,7MW 100MW 98MW

Pg6 91,2MW 100MW 100MW

Pg8 19,6MW 24MW 23MW

F. Objetivo $948,38 $1407,45 $1392,27

6 CONCLUSÕES

Podemos perceber que o caso base é o mais barato, porém não oferece nenhuma

segurança para o sistema. No caso preventivo já está sendo considerada a possível contingência

da linha entre as barras 2 e 4, o que gera um custo muito alto. Já o terceiro caso, ou seja,

corretivo é de valor intermediário, considera a possível contingência da linha entre as barras 2

e 4 e já fornece ao operador as informações necessárias para tomada de decisão.

REFERÊNCIAS

Carpentier, J. L. Contribution a Lètude du Dispatching Economique. Bull-Soc. Fr. Elec. Ser.

B3, p. 431-447, 1962.

Capitanescu, F. et al. State-of-the-art, Challenges, and Future Trends in Security Constrained

Optimal Power Flow. Electric Power Systems Research. p. 1731-174,. v. 81. 2011.

168

Costa, M. T. Solução do problema de fluxo de potência ótimo com restrição de segurança e

controles discretos utilizando o método primal-dual barreira logarítmica. Dissertação –

Faculdade de Engenharia Elétrica, UNESP, Bauru, 2016.

Junior, J. R. P. Resolução do Problema de Empacotamento de Circunferências na Superfície de

uma Esfera utilizando Suavização Hiperbólica. Dissertação de Mestrado, Instituto Alberto Luiz

Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE) – Universidade Federal do Rio

de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 2010.

Souza, M. F. Suavização Hiperbólica Aplicada à Otimização de Geometria Molecular. PhD

thesis, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE) –

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 2010.

Waltz R. A.; Platenga T. D. KNITRO user’s manual. Version 7.0, Technical Report, Ziena

Optimization, Evanston, IL, USA. (http://www.gams.com/dd/docs/solvers/knitro.pdf), 2010.

Xavier, A. E. & Xavier, V. L. Solving the minimum sum-of-squares clustering problem by

hyperbolic smoothing and partition into boundary and gravitational regions. Pattern

Recognition, 44(1), 70–77, 2011.

169

RESUMOS RELATIVOS ÀS

APRESENTAÇÕES POR POSTÊRES

170

CONTROLE DE SISTEMAS DINÂMICOS NÃO-LINEARES COM COEFICIENTES

PERIÓDICOS PELA ANÁLISE DE SINHA E MÉTODO DE BIFURCAÇÕES

Eduardo Abuhamad Petrocino




RESUMO Os sistemas dinâmicos não-lineares com coeficientes periódicos tiveram seus estudos

aprofundados somente nas últimas décadas devido a restrições computacionais, tais restrições

estão sendo reduzidas pela recente evolução tecnológica. Para a análise e controle de sistemas

com coeficientes periódicos, é exigido utilizar o sistema de controle moderno na forma de

espaço de estados cuja solução do conjunto é obtida pela matriz de transição de estados, e, em

um sistema com coeficientes periódicos, pela teoria de Floquet, que enuncia a obtenção da

matriz de transição de estados no final do período, denominada matriz de monodromia ou

matriz de transição de Floquet, na qual seus autovalores, conhecidos como multiplicadores de

Floquet, fornecem os parâmetros necessários para caracterizar a estabilidade do sistema. A

obtenção da matriz de monodromia na sua forma fechada para sistemas não-comutativos não é

tangível com os métodos tradicionais, sendo possível, pela teoria de Sinha, utilizando

aproximações numéricas, na qual foi escolhida convenientemente a expansão polinomial de

Chebyshev alterada em conjunto com o método interativo de Picard, cujas etapas serão

detalhadas neste trabalho. O diagrama de estabilidade é obtido com os multiplicadores de

Floquet, permitindo assim, o projeto do controlador, sendo linear caso atenda aos requisitos

com as transformações de Lyapunov-Floquet, ou não-linear pelo método de bifurcações, cujo

objetivo é atrasar ou eliminar bifurcações que levem o sistema ao regime caótico. Uma estrutura

com dois graus de liberdade e um pêndulo excitado parametricamente foi montada para a

implementação do controlador, que modificará os parâmetros de entrada do gerador de

vibrações mecânicas. Este projeto de controlador conta com simulações numéricas

computacionais, feitas no MATLAB para as montagens dos diagramas de estabilidade e

diagramas de bifurcações, que em conjunto com os valores obtidos do protótipo a partir da

utilização de acelerômetros, medidores de posição e equipamentos de aquisição, possibilita a

execução do controlador feito por realimentação de estados para estabilizar o pêndulo tanto

numericamente como sua implementação prática.

PALAVRAS-CHAVE: Controle Não-linear por Bifurcações, Sistemas Dinâmicos Caóticos,

Teoria de Floquet, Sistemas Periódicos.

171

METODOLOGIA DE CONTROLE COOPERATIVO DE GERADORES

DISTRIBUÍDOS COM MÚLTIPLAS CONSIDERAÇÕES DE OPERAÇÃO

Augusto M. S. Alonso




RESUMO Inversores multifuncionais têm se consolidado como dispositivos indispensáveis em

microrredes de energia elétrica devido à sua capacidade de agregar flexibilidade ao

gerenciamento de injeção de potência ativa e também prover serviços auxiliares de qualidade

de energia. Dessa forma, inúmeras alternativas baseadas em metodologias hierárquicas ou

descentralizadas vêm sendo propostas para o controle cooperativo destes dispositivos dispersos

em microrredes, visando somente um bem global, que é dado pelo controle de fluxo de

potências no PAC ou em algum nó específico. Em contrapartida, ainda resultam lacunas na

literatura quanto ao estudo de alternativas que coordenem inversores sob um contexto

multiobjetivo em microrredes, provendo o compartilhamento de quantidades elétricas ativas,

reativas e harmônicas, não somente considerando um estado desejado no PAC ou em um nó,

mas também respeitando condições de qualidade de energia em nós secundários. Portanto, este

trabalho prevê o estudo de uma metodologia de controle cooperativo de inversores que abranja

múltiplas condições nodais operação em uma microrrede, sob situação ilhada ou interconectada,

em topologia mono ou trifásica com características distorcidas e assimétricas de operação.

Pesquisas relacionadas à viabilidade de algumas metodologias presentes na literatura, assim

como o algoritmo Current-Based Control, servirão como base para posterior aprofundamento

a alguma estratégia que possa ser aprimorada e expandida para o escopo multiobjetivo. Planeja-

se que um protótipo laboratorial de microrrede despachável com inversores distribuídos seja

implementado, visando a validação experimental da proposta e confrontamento com resultados

obtidos por abordagens teóricas e de simulação.

PALAVRAS-CHAVE: Qualidade de Energia, Geradores Distribuídos, Compensação

Distribuída, Microrredes, Controle Cooperativo, Inversores Multifuncionais.

172

BOAS PRÁTICAS DOS PROGRAMAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA MUNDIAIS

APLICADAS AO BRASIL

Juliana Aline Galan Maginador




RESUMO Governos e entidades reguladoras do setor elétrico investem em boas práticas, processos,

equipamentos e infraestrutura buscando aumentar a eficiência energética. É crescente a

aplicação da eficiência energética como forma de agente transformador de comunidades,

cidades e até mesmo países. Porém a questão relacionada ao retorno que as diversas tecnologias

e procedimentos implementados têm trazido no âmbito econômico, social e técnico ainda se faz

presente. Serão exibidos os principais programas de eficiência energética atualmente ativos no

mundo com especial enfoque para União Européia, Portugal, Espanha, Alemanha, Japão,

China, Rússia, Estados Unidos e Brasil. Detalhadamente para o Brasil, será analisado

inicialmente o Procel, o qual será descrito em uma escala de tempo de duas décadas, analisando

as diferenças de cada subprograma, bem como também a motivação e incentivo governamental

que apoia cada iniciativa. Em seguida, serão apresentados os detalhes do Programa de

Eficiência Energética da Aneel e seus investimentos em cada tipologia tal como a energia

economizada e o retorno do investimento. Ainda com relação ao Brasil, este trabalho

apresentará os diversos projetos das concessionárias que serão confrontados com os demais por

tipologia de cada região, esclarecendo-se então, quais os melhores retornos por região e as

melhores políticas de eficiência energética atualmente aplicada e quais possibilidades de

aperfeiçoamento nas diferentes regiões do Brasil. Dessa forma, o presente trabalho busca

quantificar essa relação analisando-se os impactos no âmbito técnico-econômico e social, o qual

será comparado com as metas e resultados dos demais programas mundiais, traçando-se

analogias de aplicação e dos programas mais bem-sucedidos em outros países, adaptando-se à

realidade brasileira.

PALAVRAS-CHAVE: Eficiência Energética, Programas de Eficiência Energética, Impactos

Sociais.

173

DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO E PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS NA

ESTIMAÇÃO DA RUGOSIDADE DE COMPONENTES CERÂMICOS NO

PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA

Martin A. Aulestia Viera




RESUMO O processo de retificação é amplamente utilizado no acabamento superficial de cerâmicas e

corresponde a uma das últimas etapas no processo de fabricação. Deste modo, é imprescindível

um monitoramento confiável deste processo. Assim, um sistema de monitoramento em tempo

real é necessário para auxiliar o operador na tomada de decisão de modo a otimizar e reduzir

os custos do processo. Por outro lado, o monitoramento do processo de retificação por meio de

diafragma piezelétrico tem sido pouco relatado na literatura. Assim, o objetivo do presente

trabalho é propor uma nova técnica para estimar a rugosidade de peças de cerâmica alumina no

processo de retificação plana usando diafragma piezelétrico e técnicas avançadas de

processamento digital de sinais. Um banco de ensaios será construído e ensaios serão efetuados,

nos quais os sinais do diafragma piezelétrico, sensor de emissão acústica e potência serão

coletados. A comparação dos resultados do diafragma piezelétrico com aqueles

do sensor de emissão acústica será realizada, o qual já é consolidado em sistemas de

monitoramento de processos de usinagem. Combinação das informações dos sensores também

será realizada, visando-se extrair características para a estimação da rugosidade. Como

resultado do trabalho, obter-se-á uma técnica não destrutiva para a estimação da rugosidade de

peças cerâmicas retificadas por meio de diafragma piezelétrico de baixo custo e / ou fusão dos

referidos sensores, e com características que proporcionem confiabilidade e robustez e,

consequentemente, contribuindo para o monitoramento, automação, controle e otimização do

processo.

PALAVRAS-CHAVE: Processo de Retificação, Monitoramento do Processo de Retificação,

Estimação da Rugosidade, Transdutor Piezelétrico, Processamento Digital de Sinais.

174

UMA NOVA TÉCNICA PARA A DETECÇÃO DE DANOS EM PEÇAS DE AÇO

ABNT 4340 NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA BASEADA EM SINAIS

ULTRASSÔNICOS GERADOS POR TRANSDUTOR PIEZELÉTRICO

Felipe Aparecido Alexandre




RESUMO A retificação é um processo de acabamento e precisão situado na fase final da cadeia de

usinagem. As perdas por danos nesta fase são inadmissíveis, devido ao alto valor agregado que

a peça possui por ter sido submetida anteriormente a outros processos de manufatura. O

monitoramento da retificação de aços por meio do sinal de transdutores piezelétricos se

apresenta como uma alternativa para o diagnóstico da superfície da peça. Algumas pesquisas

recentes demostraram que esse sinal tem potencial para monitorar o processo de retificação. O

objetivo do presente trabalho consiste na proposta de uma técnica baseada nos sinais

ultrassônicos gerados por transdutor piezelétrico para identificar a ocorrência de danos

(rugosidade fora dos padrões da indústria e alterações microestruturais no material) em peças

de aço ABNT 4340 durante o processo de retificação. Um banco de ensaios será construído e

ensaios serão efetuados, nos quais os sinais de diafragmas piezelétricos e sensor de emissão

acústica serão coletados. As características que representem a condição da superfície da peça

serão aferidas por meio de testes de dureza, rugosidade, metalografia e microscopia eletrônica

de varredura. Técnicas de processamento digital de sinais serão empregadas e, em seguida, as

características relacionadas com os danos nas peças serão avaliadas. Como resultado do

trabalho, obter-se-á um sistema de detecção não destrutivo por meio de sensores de baixo custo,

não invasivo, e com características que proporcionem maior confiabilidade e robustez na

detecção dos danos de peças de aço retificadas e, consequentemente, contribuir para automação,

controle e otimização do processo.

PALAVRAS-CHAVE: Monitoramento do processo de retificação, transdutor piezelétrico,

Emissão Acústica, sinais ultrassônicos

175

PROBLEMAS DE QUALIDADE DE ENERGIA EM PLATAFORMAS DE

PETRÓLEO E SOLUÇÕES BASEADAS EM ALGORITMOS COMPUTACIONAIS

DE APRENDIZAGEM

Caio Cesar Policelli Amalfi




RESUMO Atualmente muito se tem discutido sobre a questão da qualidade de energia na indústria

offshore do petróleo. O aumento da presença de cargas não-lineares nesse tipo de ambiente

contribui de forma significativa para a qualidade da energia gerada. O aparecimento de

harmônicos na rede, redução do fator de potência e ruídos ainda são problemas persistentes.

Apesar da existência de medidores de qualidade de diversos fabricantes, o estudo para as

soluções desses problemas mesmo que previamente identificados, continuam demorados e

perdas de equipamentos mesmo que redundantes ainda acontecem. A indústria offshore

americana, nos últimos anos, teve um gasto de, aproximadamente, 35 bilhões de dólares em

equipamentos por problemas decorrentes da baixa qualidade de energia. Na Europa esse valor

é calculado em 950 mil euros semanais. Desta maneira, mesmo com a presença de medidores

de qualidade de valor econômico elevado percebeu-se a demora na solução dos problemas

encontrados, perda de equipamentos e o alto custo envolvido. Por isso, o objetivo deste trabalho

é modelar, através de dados reais, uma plataforma de petróleo, estudando todos os problemas

relacionados à qualidade de energia e propor soluções usando algoritmos computacionais

baseados em aprendizado de máquinas, para avaliar a situação e fornecer resultados do ponto

de vista técnico e do ponto de vista do custo.

PALAVRAS-CHAVE: petróleo, qualidade, energia, algoritmos.

176

CONTROLE DE ESTABILIZAÇÃO DE VOO DE VANTS QUADRIRROTORES:

MODELAGEM, CONTROLE, SIMULAÇÃO E PROTOTIPAGEM

Fernando Mascagna Bittencourt Lima




RESUMO O controle de estabilização do voo de VANTs (veículos aéreos não tripulados) quadrirrotores

abrange diversas áreas do conhecimento da engenharia, tais como mecânica, eletrônica e

computação. O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de diferentes

controladores para tal estabilização. Diferentes controladores (lineares e não lineares) serão

avaliados a fim de estabelecer um comparativo entre os resultados obtidos para cada um e

determinar qual deles é o mais eficiente para diferentes condições de voo. Para tal

desenvolvimento, um modelo matemático do VANT em questão será obtido a fim de

possibilitar o projeto dos controladores. Este modelo utilizará os parâmetros de um quadrirrotor

real que também será desenvolvido neste projeto para validação da eficiência dos controladores

desenvolvidos. O protótipo será projetado de tal forma a possuir uma autonomia de voo

suficiente para realização dos testes, resistência mecânica a todos as condições que será exposto

durante o voo, tais como vento e vibrações geradas, e ser controlável. Para a validação da

eficiência dos controladores desenvolvidos, serão realizadas tanto simulações quanto testes

reais aplicados ao protótipo. Durante as simulações, a planta a ser controlada será o modelo

encontrado anteriormente. Levando em consideração que o modelo apresenta algumas

simplificações, a eficiência real do controlador somente será verificada após a execução de um

voo com a utilização do protótipo.

PALAVRAS-CHAVE: Modelagem, Controle, Quadrirrotor.

177

SISTEMA MEDIDOR DE SINAIS DE FORÇA COM DINÂMICA RÁPIDA

UTILIZANDO DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO DE BAIXO CUSTO

Reinaldo Götz de Oliveira Junior




RESUMO A medição de força desempenha um papel importante nos processos de manufatura, pois

permite a verificação do nível de desgaste da ferramenta, a temperatura e a integridade da

superfície da peça, a profundidade de corte e o nível de deflexão de contato, remoção de

material, entre outros. Este projeto de pesquisa propõe o desenvolvimento de um sistema de

medição de força que deverá responder a sinais com dinâmica rápida, tais como trincas, início

de queima, efeito chatter, entre outros fenômenos que se manifestam durante o processo de

manufatura. Tal sistema utilizará um sensor construído a partir de um diafragma piezelétrico

de baixo custo composto por Titanato Zirconato de Chumbo (PZT), cuja aplicação típica é a

emissão de sinais sonoros, embora venha sendo amplamente utilizado na detecção de sinais

com freqüências bem acima do espectro audível. O sinal produzido pelo sensor será

condicionado por um circuito amplificador de carga e convertido em medida de força. A

calibração deste medidor de força deverá ser feita comparando-se os sinais obtidos aos sinais

de um sistema comercial de precisão. Como resultado deste projeto, espera-se obter um sistema

confiável de medição de força que possa ser empregado no monitoramento de processos de

manufatura, especialmente na retificação, permitindo a otimização dos custos do processo e

garantindo a qualidade das peças fabricadas.

PALAVRAS-CHAVE: Medidor de Força, Piezelétrico, Retificação.

178

IDENTIFICAÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM

TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA EM FUNCIONAMENTO

Daniele F. Akiyoshi




RESUMO Os transformadores de potência são equipamentos essenciais nos sistemas elétricos e

apresentam um custo associado bastante elevado. Uma falha ou a perda de sua função impacta

diretamente o fornecimento e a qualidade da energia elétrica entregue aos consumidores,

causando transtornos e elevados prejuízos financeiros às concessionárias. Desta forma, o

desenvolvimento de técnicas preditivas de manutenção é de suma importância para prevenir

falhas nestes equipamentos. Uma das principais causas de falhas em transformadores são as

descargas parciais (DP), que ocorrem devido à degradação física e química do material isolante

das partes que o compõem. Fatores como sobrecarga, superaquecimento, cargas não-lineares e

sinais elétricos com grande conteúdo harmônico vinculados a sistemas chaveados, em longo

prazo, aceleram ainda mais este processo. O uso de técnicas não-invasivas e precisas de

localização das descargas parciais em transformadores energizados possibilita o planejamento

de uma intervenção, evitando, assim, que o problema evolua e cause prejuízos maiores. Este

trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia de identificação do local de ocorrência

de descargas parciais no interior de transformadores em óleo mineral energizados em condições

de carregamento nominal. Para isso será utilizado o método de emissão acústica por meio do

emprego de sensores piezelétricos de baixo custo, distribuídos externamente a sua estrutura. As

características extraídas dos sinais provenientes dos sensores serão aplicadas no treinamento de

Redes Neurais Artificiais (RNA) para obtenção das distâncias estimadas entre os sensores e a

descarga parcial. A partir dessas distâncias espera-se obter, através do método numérico de

triangulação, as coordenadas tridimensionais do ponto da descarga.

PALAVRAS-CHAVE: Transformador de Potência, Descarga Parcial, Sensor Piezelétrico.

179

ESTUDO DE TÉCNICAS DE CONTROLE PARA ESTABILIDADE DE SISTEMAS

EÓLICOS COM GERADOR DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADO

Christielly Fernandes da Costa




RESUMO O vento tem sido usado como fonte de energia há, pelo menos, três mil anos. Até o começo do

século XX, esse uso era destinado para fornecer energia mecânica a fim de bombear água ou moer

grãos. Com o avanço da tecnologia e o aumento no preço do petróleo no começo da década de 1970,

o uso dessa fonte teve seu foco voltado, também, para a geração de energia elétrica. Dessa forma,

com o propósito de reduzir o uso de combustíveis fósseis, países do mundo todo têm investido em

fontes renováveis de energia, uma vez que estas se apresentam como uma fonte inesgotável, não

poluente e limpa. Nesse contexto, a geração eólica vem se destacando como uma das mais

promissoras, principalmente devido a sua viabilidade econômica e ao grande desenvolvimento

tecnológico obtido nos últimos anos. Entre as diferentes topologias utilizadas nos sistemas de

geração eólica, destaca-se a configuração elaborada para operação em velocidade variável,

empregando gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) associado a conversores

eletrônicos para controle de sua operação. Entre as principais vantagens da utilização do DFIG,

destacam-se sua maior eficiência na conversão de energia, menor estresse mecânico do rotor,

controle independente de potência ativa e reativa e limitação da potência manipulada pelos

conversores a valores típicos de 30% da potência nominal do sistema. Essas características fazem

com que essa topologia esteja instalada em mais de 50% dos sistemas eólicos. Este projeto tem por

objetivo a modelagem da máquina de indução e dos conversores utilizados em sistemas de geração

eólica, seguida de uma investigação das técnicas de controle que garantam melhor estabilidade a

esse sistema, considerando o conjunto submetido a distúrbios relacionados a transientes de

operação. O sistema modelado será simulado em plataforma computacional e os resultados serão

validados com o emprego de um sistema de hardware in the loop incorporado a bancada

experimental em laboratório.

PALAVRAS-CHAVE: Geração Eólica, Gerador de Indução Duplamente Alimentado,

Estabilidade de Sistemas Elétricos de Potência.

180

EVOLUÇÃO INSTITUCIONAL DE QUALIDADE NO SETOR ELÉTRICO

BRASILEIRO

Thiago Xavier da Silva Palma

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - Unesp - Bauru


Orientador - Departamento de Engenharia Elétrica - Unesp - Bauru

RESUMO A mudança estrutural das empresas distribuidoras do Setor Elétrico Brasileiro, a partir de 1996,

do modelo de gestão predominantemente estatal para a gestão privada, proporcionou a

redefinição do marco regulatório da qualidade de energia elétrica à nova realidade institucional.

Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica, a introdução de parâmetros normativos, mais

consistentes, para a qualidade do serviço e, posteriormente, para a qualidade do produto em

regime permanente, permitiu a evolução da percepção de melhoria nos procedimentos das

empresas distribuidoras de energia elétrica junto aos clientes, principalmente, a nível Brasil,

com reduções de 47,53% (24,36 horas para 12,78 horas), na duração dos desligamentos das

redes de distribuição, e de 57,06% (22,64 vezes à 9,72 vezes), na frequência desses mesmos

desligamentos, desde a instituição dos indicadores, em 2001, à 2017. Além disso, o

monitoramento e inspeções constantes da Agência permitiu a melhoria contínua dos

procedimentos técnico-administrativos das distribuidoras e adequação dos seus investimentos

para a melhoria e manutenção de suas redes de distribuição de energia elétrica, através do

conceito de investimento certo e prudente, institucionalizado a partir de 2007. O

aprofundamento da regulamentação técnica, aliada às revisões periódicas em cada ciclo

tarifário, permitiu o desenvolvimento, nas empresas distribuidoras de energia elétrica, de uma

capacidade analítica assertiva nos serviços de manutenção e melhoramento das redes de

distribuição. A implantação dos Procedimentos de Distribuição, em 2008, com novas diretrizes

técnicas, e o Manual de Contabilidade do Setor Elétrico Brasileiro, atualizado em 2015, com

novo formato para a contabilidade das empresas do setor elétrico, foi determinante para a

reorganização de procedimentos e reestruturação gerencial nas empresas distribuidoras de

energia elétrica, de modo priorizar, estudar e implementar soluções assertivas em relação à

qualidade de energia elétrica, no âmbito serviço, sem desperdício de recursos humanos e

financeiros.

PALAVRAS-CHAVE: Distribuição, Qualidade do Serviço, Setor Elétrico Brasileiro.

181

MODELO PARA INDICAÇÃO DE ESCOLHA DE IMPLANTAÇÃO DE FONTE DE

ENERGIA RENOVÁVEL PARA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

Eloá Carolina Nava Cardoso Palma




RESUMO Historicamente, o homem está atrelado à evolução energética e esta relação tornou-se elemento

essencial para suas atividades e pro alcance do desenvolvimento socioeconômico. Em função

da tecnologia e atividades onde a energia elétrica fazia-se requisito, criou-se uma dependência

energética cada vez maior para garantir a produção de bens de serviços, o bem estar doméstico

e o bem estar social. Este trabalho tem por objetivo detectar a melhor fonte de energia renovável

a ser instalada em uma determinada região, baseada em uma modelagem para auxílio na tomada

de decisão. A modelagem escolhida foi a lógica fuzzy, também conhecida por lógica difusa.

Os valores foram analisados por estados, sendo considerados todos os estados do Brasil. Nesta

avaliação consideraram-se cinco variáveis: Potencial eólico (medido em m/s), potencial solar

(kWh/m2), consumo (Mwh), investimento eólico e investimento solar, modeladas com valores

numéricos específicos para cada variável e com variáveis linguísticas comuns a todos (baixo,

médio e alto). Definidas as variáveis linguísticas, a base de dados e as regras, as inferências

foram criadas. Implementaram-se 243 regras do tipo Se (Consumo=medio) E

(PotencialEolico=baixo) e (PotencialSolar=medio) e (InvestimentoEolico=baixo) e

(InvestimentoSolar=baixo) ENTAO (FontePreferencial=Solar). Uma vez feito isso, uma

classificação de indicação de preferência para o uso de fontes de energia solar, eólica, híbrida

ou inviável é apresentada com base nos dados de entrada reais, extraídos do Instituto Nacional

de Meteorologia do Brasil. Como resultado parcial, esta modelagem propõe um modelo de

suporte a decisão baseada nos critérios prévios mencionados. A defuzzyficação foi feita por

centróide, tendo como uma de suas regras ativadas: Consumo= 158000; Potencial Eólico =

4,34; Potencial Solar= 15; Investimento Eolico = 3,69; Investimento Solar = 5; Fonte

preferencial = 0,237 (Solar). Analisando dados estatísticos da ANEEL, estes valores

aproximam-se do Estado do Tocantins, resultado coerente com o Atlas Solar e o Atlas Eólico

do estado.

PALAVRAS-CHAVE: Energias renováveis, lógica fuzzy, viabilidade fontes de energia.

182

MODELO MATEMÁTICO PARA OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA EM SISTEMAS

DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

Isabela Garcia Parras


Prof. ª Dr. ª Edilaine Martins Soler

Orientadora – Depto de Matemática – Unesp – Bauru

RESUMO Os sistemas de abastecimento de água envolvem a captação, tratamento e distribuição de água.

Estes sistemas têm a função de levar água em quantidade e qualidade adequadas à população

para que suas necessidades sejam atendidas. Porém isso envolve o dispêndio de quantidades

muito significativas de energia elétrica já que os sistemas de abastecimento de água consomem

entre dois a três por cento da energia do mundo, sendo cerca de 95% do consumo de energia

elétrica atribuível aos sistemas de bombeamento. Assim, é muito relevante que as empresas de

saneamento possam diminuir seus gastos com energia elétrica, sem prejuízo no

abastecimento. Como o custo de energia elétrica é diferenciado ao longo das horas do dia, faz-

se necessário um planejamento do liga/desliga das bombas hidráulicas (e consequentemente do

volume de água nos reservatórios), para evitar que estas operem nos horários em que a energia

elétrica é mais cara (horários de ponta). Após visitas ao Sistema Autônomo de Água e Esgoto

de São Carlos, ficou constatada a presença de um conjunto de até 4 bombas por trecho.

Neste projeto, será proposto um modelo matemático de otimização mais próximo da realidade

dos sistemas de abastecimento brasileiros visando uma minimização dos gastos com energia

elétrica, bem como método de resolução para tal modelo.

PALAVRAS-CHAVE: Energia elétrica, Otimização, Bombas hidráulicas.

183

METODOLOGIA PARA VIRTUALIZAÇÃO DE SISTEMAS INDUSTRIAIS COM

FOCO NA INDÚSTRIA 4.0

Rodrigo Pita Rolle




RESUMO Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia para virtualização de sistemas

industriais aderente à Indústria 4.0, considerando alguns dos principais requisitos do ambiente

industrial contemporâneo tais como ganho de desempenho, aumento da flexibilidade dos

processos, redução de tempos de parada e reprogramação, entre outros. A evolução da

computação e das ferramentas de simulação possibilita o uso de virtualização no ambiente

industrial, de forma que os modelos em software transcendam a mera função de etapa de projeto

e assumam a função de provedor de informação relevante para a avaliação do desempenho dos

equipamentos de campo. O desenvolvimento do trabalho está centrado numa ferramenta de

controle de processos que possui capacidade de comunicação com aplicativos de simulação e

também com microcontroladores, que são utilizados como interfaces para os sinais de entrada

e saída do processo de automação. Esta ferramenta é capaz de estabelecer comunicação através

de redes Ethernet/IP, viabilizando aplicações remotas e proporcionando escalabilidade à

plataforma. A metodologia será implementada e validada em estações modulares de automação

disponíveis nas instalações da UNESP Sorocaba, que servirão como os processos físicos. A

contraparte virtualizada será implementada por meio de modelos lógicos em softwares de

engenharia tais como MATLAB/Simulink ou LabVIEW. Serão identificados os parâmetros

normais de funcionamento para então implementar-se métodos para detecção de funcionamento

anormal em tempo de execução. Os dados gerados pelo sistema virtualizado servirão como

parâmetro de comparação com os sinais de entrada e saída do sistema real, de forma que se

possa identificar quaisquer anomalias ao longo do processo automatizado.

PALAVRAS-CHAVE: Virtualização, Indústria 4.0, Automação Industrial.

184

DESAGREGAÇÃO DE CARGAS E LUDIFICAÇÃO COMO FERRAMENTAS DE

CONSCIENTIZAÇÃO SOBRE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA

Fernando Deluno Garcia




RESUMO Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um medidor cognitivo de energia

elétrica, enfatizando sua aplicação no setor residencial. Considerando que o comportamento do

consumidor tem grande impacto na demanda de energia elétrica e que isso pode ser modificado

com pequenas mudanças de hábito, o medidor cognitivo tem potencial para ser aplicado em

uma casa inteligente e disponibilizar um sistema de monitoramento e controle do consumo de

energia elétrica. Tal cenário é favorável para criação de serviços voltados para o consumidor,

principalmente com a utilização de dispositivos móveis no âmbito de Internet das Coisas.

Assim, tendo em vista o engajamento do consumidor residencial em relação aos seus hábitos

de consumo, o trabalho proposto faz uso do medidor de energia elétrica para criar uma

plataforma lúdica com objetivo de engajar o consumidor em questões relacionada à

racionalização do consumo de energia elétrica. Para tal, o medidor cognitivo realiza o processo

de desagregação de energia para determinar o consumo e o tempo de uso de cada

eletrodoméstico da residência. Tais informações são utilizadas em uma plataforma com

objetivo de engajar o consumidor a participar e cumprir tarefas que modifiquem seus hábitos,

resultando na redução do consumo de energia elétrica.

PALAVRAS-CHAVE: desagregação do consumo; medidor cognitivo de energia elétrica;

ludificação.

185

ÍNDICE DE AUTORES

Adilson Preto de Godoi ................................ 164

Alexander S. Maranho .................................. 149

André Gifalli ................................................ 135

Andréa Camila dos Santos Martins ................ 83

Augusto M. S. Alonso .................................. 171

Bruno Aguilar da Cunha ............................... 129

Bruno Albuquerque de Castro .......................... 8

Caio Cesar Policelli Amalfi .......................... 175

Camila Mara Nardello Mazal ....................... 157

Carine G. Távora ............................................ 25

Christielly Fernandes da Costa ..................... 179

Cláudio José Ribeiro da Silva ......................... 11

Dailhane Grabowski Bassinello ..................... 58

Daisy P. Silva ............................................... 138

Daniel Celso Daltin .......................................... 5

Daniel Zarpelão Porcel ................................... 95

Daniele F. Akiyoshi ...................................... 178

Danilo M. Caldas ............................................ 74

David C. Andrade ........................................... 54

Eduardo Abuhamad Petrocino ...................... 170

Elis Gonçalves .............................................. 111

Eloá Carolina Nava Cardoso Palma ............. 181

Fábio Isaac Ferreira ........................................ 40

Fabio Romano Lofrano Dotto ........................ 28

Felipe Aparecido Alexandre ......................... 174

Felipe Augusto Ferreira de Almeida ............ 141

Felipe Leite Paes .......................................... 105

Fernando Deluno Garcia............................... 184

Fernando Mascagna Bittencourt Lima ......... 176

Gabriela Fernanda Bregadioli ....................... 108

Gilmar Tolentino .......................................... 146

Graciliano Antonio Damazo ......................... 160

Guilherme Augusto Marabezzi Clerice ............ 2

Halley J. Braga da Silva ................................. 89

Heverton Bacca Sanches ................................ 49

Hilson Henrique Daum ................................... 61

Ireno G. Machado Junior ................................ 20

Isabela Garcia Parras ..................................... 182

Israel V. Ferreira ............................................. 51

Jeferson A. Bigheti .......................................... 43

Jefferson Aparecido Dias ................................ 22

Jéssica A. Delgado ........................................ 144

João Paulo de Lima ....................................... 126

José de Arimatéia O. Filho .............................. 92

José Rodrigo de Oliveira ............................... 123

Juliana Aline Galan Maginador .................... 172

Letícia Maria Miquelin ................................... 80

Luiz Carlos Marques Junior ............................ 46

Marcelo Nogueira Tirolli ................................ 99

Marco Akio Ikeshoji ....................................... 86

Marcos Messias dos Santos Junior .................. 34

Marielena F. Tófoli ....................................... 154

Marina Valença Alencar ............................... 117

Martin A. Aulestia Viera ............................... 173

Matheus Murback Angelo ............................. 102

Nilton José Saggioro ....................................... 14

Patricia Soyuri Yamaguchi ............................. 17

Paulo Afonso Ferreira Junior .......................... 64

Pedro de Oliveira C. Junior ............................. 31

Rafael Ramos de Souza................................. 114

Reinaldo Götz de Oliveira Junior .................. 177

Risomar de Andrade Alves Santos ................ 132

Rodolfo G. Machado ....................................... 67

Rodolfo Rodrigues Barrionuevo Silva ............ 77

Rodrigo Moura Juvenil Ayres ....................... 151

Rodrigo Pita Rolle ......................................... 183

Rogério Thomazella ........................................ 37

Thiago Xavier da Silva Palma....................... 180

Tiago Forti da Silva ........................................ 71

Tiago G. Cabana ........................................... 120

186

PROMOÇÃO, APOIO E SUPORTE

TÉCNICO

Promovido pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Faculdade de Engenharia – UNESP - Bauru

viii seminário de pós-graduação em engenharia elétrica · organização do viii seminário de...

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