Controle Fuzzy aplicado à melhoria da estabilidade dinâmica em sistemas elétricos de potência

Este trabalho propõe uma estratégia fuzzy, do tipo Rede de Controladores Locais, aplicável à melhoria da estabilidade dinâmica em sistemas elétricos de potência, visando compensar possíveis perdas de sintonia devido à ocorrência de variações nas condições operacionais da planta. A adaptação dos ganhos do controlador fuzzy é efetuada on-line, interpolando-se os ganhos de um conjunto finito de controladores locais fixos. Ao ocorrer variações nas condições operacionais da planta, os ganhos da lei de controle são ajustados automaticamente de modo a manter satisfatório o desempenho do sistema de controle. O desempenho do controle foi avaliado através de estudos de simulação, utilizando-se um modelo dinâmico não-linear, do tipo máquina barra infinita. Os resultados mostram que o emprego da estratégia proposta permite obter melhorias no desempenho dinâmico do sistema.

Influências de famílias wavelets e suas ordens no desempenho de um localizador de faltas em linhas aéreas de transmissão de energia elétrica

Essa dissertação tem por objetivo analisar a influência de famílias wavelets e suas ordens no desempenho de um algoritmo de localização de faltas a partir das ondas viajantes de dois terminais de uma linha de transmissão aérea. Tornou-se objetivo secundário a modelagem de um sistema elétrico de potência (SEP) para obtenção de um universo de faltas que validassem o localizador. Para isso, parte de um SEP da Eletrobrás-Eletronorte em 500/230 kV foi modelado no Alternative Transient Program (ATP) utilizando-se parâmetros reais. A Transformada Wavelet, via análise multiresolução (AMR), é empregada valendo-se de sua característica de localização temporal, permitindo caracterizações precisas de instantes de transitórios eletromagnéticos ocasionados por faltas, as quais geram ondas que ao se propagarem em direção aos terminais da linha contêm os tempos de propagação destas do local do defeito a tais terminais e podem ser convenientemente extraídos por tal transformada. Pela metodologia adotada no algoritmo, a diferença entre esses tempos determina com boa exatidão o local de ocorrência da falta sobre a linha. Entretanto, um dos agentes variantes do erro nessa estimação é a escolha da Wavelet usada na AMR dos sinais, sendo, portanto, a avaliação dessa escolha sobre o erro, objetivo principal do trabalho, justificada pela ainda inexistente fundamentação científica que garanta a escolha de uma wavelet ótima a uma certa aplicação. Dentre um leque de Wavelets discretas, obtiveram-se resultados adequados para 16 delas, havendo erros máximos inferiores aos 250 metros estipulados para a precisão. Duas Wavelets, a Db15 e a Sym17, sobressaíram-se ao errarem, respectivamente, 3,5 e 1,1 vezes menos que as demais. A metodologia empregada consta da: exportação dos dados das faltas do ATP para o MATLAB®; aplicação da transformação modal de Clarke; decomposição dos modos alfa e síntese dos níveis 1 de detalhes via AMR; cálculo de suas máximas magnitudes e determinação dos índices temporais; e por fim, a teoria das ondas viajantes equaciona e estima o local do defeito sobre a LT, sendo tudo isso programado no MATLAB e os erros de localização analisados estatisticamente no Microsoft Excell®. Ao final elaborou-se ainda uma GUI (Guide User Interface) para a Interface Homem-Máquina (IHM) do localizador, servindo também para análises gráficas de qualquer das contingências aplicadas ao SEP. Os resultados alcançados demonstram uma otimização de performance em razão da escolha da wavelet mais adequada ao algoritmo e norteiam para uma aplicação prática do localizador.

Desenvolvimento e implementação de estratégias de controle digital para regulação de tensão e amortecimento de oscilações eletromecânicas em um gerador síncrono de 10kVA

Neste trabalho são apresentados o desenvolvimento e a implementação de estratégias de controle digital para regulação automática de tensão e para o amortecimento de oscilações eletromecânicas em um sistema de potência em escala reduzida de 10kVA, localizado no Laboratório de Controle de Sistemas de Potência (LACSPOT), da Universidade Federal do Pará (UFPA). O projeto dos dois controladores é baseado na técnica de alocação polinomial de polos. Para o projeto do Regulador Automático de Tensão (RAT) foi adotado um modelo simplificado, de primeira ordem, da máquina síncrona, cujos parâmetros foram levantados experimentalmente. Para o controlador amortecedor, por sua vez, também chamado de Estabilizador de Sistemas de Potência (ESP), foi utilizado um modelo discreto, do tipo auto regressivo com entrada exógena (ARX). Este modelo foi estimado por meio de técnicas de identificação paramétrica, considerando para tal, o conjunto motor-gerador interligado a um sistema de maior porte (concessionária de energia elétrica). As leis de controle foram embarcadas em um microcontrolador de alto desempenho e, para a medição dos sinais utilizados nos controladores, foi desenvolvida uma instrumentação eletrônica baseada em amplificadores operacionais para o condicionamento dos sinais dos sensores. O sinal de controle é baseado na técnica de modulação por largura de pulso (PWM) e comanda o valor médio da tensão de um conversor CC-CC, o qual é utilizado como circuito de excitação que energiza o enrolamento de campo do gerador. Além disso, o acionamento elétrico das máquinas que compõem o grupo gerador de 10kVA foi projetado e automatizado somando segurança aos operadores e ao componentes deste sistema de geração. Os resultados experimentais demonstraram o bom desempenho obtido pela estratégia proposta.

Investigação experimental de estratégias de identificação e controle LPV aplicadas ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potência

Nesta tese e realizada a investigação experimental de uma estratégia de controle LPV (do inglês, linear parameter varying) aplicada ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potencia. O estudo foi realizado em um modelo de sistema de potencia em escala reduzida de 10kVA, cuja configuração e do tipo maquina interligada a uma barra infinita, alem de testes em campo em uma unidade geradora de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruvi. Primeiramente, foi desenvolvido e testado computacionalmente um conjunto de rotinas para analise e síntese de controlador amortecedor do tipo LPV, bem como para identificação de modelos LPV da planta. Os coeficientes do controlador amortecedor LPV, no caso um Estabilizador de Sistemas de Potencia (ESP), dependem do valor de uma variável de operação selecionada que, neste estudo, foram as potencias ativa (P) e reativa (Q) nos terminais da unidade geradora. Para fins de projeto, a dinâmica da planta foi representada através de um modelo ARX LPV, o qual foi estimado a partir de dados coletados experimentalmente na planta, para uma ampla faixa de condições operacionais. A partir do modelo LPV da planta, os valores dos parâmetros do ESP LPV foram determinados via um problema de otimização convexa, na forma de uma LMI parametrizada (PLMI). A solução da PLMI e obtida a partir de uma relaxação via decomposição em soma de quadrados. O ESP LPV foi projetado de modo a garantir a estabilidade e o desempenho do sistema para uma ampla faixa de condições operacionais da planta, o que geralmente não e possível de obter com controladores convencionais a parâmetros fixos. A lei de controle amortecedor do ESP LPV foi implementada em um sistema embarcado baseado em um controlador digital de sinais. Os resultados experimentais mostraram um excelente desempenho do ESP LPV no amortecimento de oscilações eletromecânicas, tanto no sistema de potencia em escala reduzida, quanto em uma unidade geradora da UHE de Tucurui.

Modelos equivalentes de parques eólicos usando algoritmos genéticos

Esta dissertação apresenta uma metodologia baseada em algoritmo genético (AG) para determinar modelos dinâmicos equivalentes de parques eólicos com geradores de indução em gaiola de esquilo ( GIGE) e geradores de indução duplamente alimentados ( GIDA), apresentando parâmetros elétricos e mecânicos distintos. A técnica se baseia em uma formulação multiobjetiva solucionada por um AG para minimizar os erros quadráticos das potências ativa e reativa entre modelo de um único gerador equivalente e o modelo do parque eólico investigado. A influência do modelo equivalente do parque eólico no comportamento dinâmico dos geradores síncronos é também investigada por meio do método proposto. A abordagem é testada em um parque eólico de 10MW composto por quatro turbinas eólicas ( 2x2MW e 2x3MW), consistindo alternadamente de geradores GIGE e GIDA interligados a uma barra infinita e posteriormente a rede elétrica do IEEE 14 barras. Os resultados obtidos pelo uso do modelo dinâmico detalhado para a representação do parque eólico são comparados aos do modelo equivalente proposto para avaliar a precisão e o custo computacional do modelo proposto.

Desenvolvimento de um sistema de gerenciamento de energia (EMS - Energy Management System) para a rede elétrica inteligente (Smart Grid)

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Developing an optimization tool for evaluating the transmission system expansion

The transmission system is responsible for connecting the power generators to consumers safely and reliably, its constant expansion is necessary to transport increasing amounts of electricity. In order to help the power systems engineers, an optimization tool for optimize the expansion of the transmission system was developed using the modeling method of the linearized load flow and genetic. This tool was designed to simulate the impact of different scenarios on the cost of transmission expansion. The proposed tool was used to simulate the effects of the presence of distributed generation in the expansion of a fictitious transmission system, where it was found a clear downward trend in investment required for the expansion of the transmission system taking account of increasing levels of distributed generation.

Efficient Placement of Fault Indicators in an Actual Distribution System Using Evolutionary Computing

This paper proposes an evolutionary computing strategy to solve the problem of fault indicator (FI) placement in primary distribution feeders. More specifically, a genetic algorithm (GA) is employed to search for an efficient configuration of FIs, located at the best positions on the main feeder of a real-life distribution system. Thus, the problem is modeled as one of optimization, aimed at improving the distribution reliability indices, while, at the same time, finding the least expensive solution. Based on actual data, the results confirm the efficiency of the GA approach to the FI placement problem.

A Model-Based Approach for Small-Signal Stability Assessment of Unbalanced Power Systems

In this paper, a modeling technique for small-signal stability assessment of unbalanced power systems is presented. Since power distribution systems are inherently unbalanced, due to its lines and loads characteristics, and the penetration of distributed generation into these systems is increasing nowadays, such a tool is needed in order to ensure a secure and reliable operation of these systems. The main contribution of this paper is the development of a phasor-based model for the study of dynamic phenomena in unbalanced power systems. Using an assumption on the net torque of the generator, it is possible to precisely define an equilibrium point for the phasor model of the system, thus enabling its linearization around this point, and, consequently, its eigenvalue/eigenvector analysis for small-signal stability assessment. The modeling technique presented here was compared to the dynamic behavior observed in ATP simulations and the results show that, for the generator and controller models used, the proposed modeling approach is adequate and yields reliable and precise results.

New approach for power transformer protection based on intelligent hybrid systems

A power transformer needs continuous monitoring and fast protection as it is a very expensive piece of equipment and an essential element in an electrical power system. The most common protection technique used is the percentage differential logic, which provides discrimination between an internal fault and different operating conditions. Unfortunately, there are some operating conditions of power transformers that can mislead the conventional protection affecting the power system stability negatively. This study proposes the development of a new algorithm to improve the protection performance by using fuzzy logic, artificial neural networks and genetic algorithms. An electrical power system was modelled using Alternative Transients Program software to obtain the operational conditions and fault situations needed to test the algorithm developed, as well as a commercial differential relay. Results show improved reliability, as well as a fast response of the proposed technique when compared with conventional ones.

A novel method for power quality multiple disturbance decomposition based on Independent Component Analysis

In this paper, a novel method for power quality signal decomposition is proposed based on Independent Component Analysis (ICA). This method aims to decompose the power system signal (voltage or current) into components that can provide more specific information about the different disturbances which are occurring simultaneously during a multiple disturbance situation. The ICA is originally a multichannel technique. However, the method proposes its use to blindly separate out disturbances existing in a single measured signal (single channel). Therefore, a preprocessing step for the ICA is proposed using a filter bank. The proposed method was applied to synthetic data, simulated data, as well as actual power system signals, showing a very good performance. A comparison with the decomposition provided by the Discrete Wavelet Transform shows that the proposed method presented better decoupling for the analyzed data. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Investigation of the Impacts of Large-Scale Wind Power Penetration on the Angle and Voltage Stability of Power Systems

The complexity of power systems has increased in recent years due to the operation of existing transmission lines closer to their limits, using flexible AC transmission system (FACTS) devices, and also due to the increased penetration of new types of generators that have more intermittent characteristics and lower inertial response, such as wind generators. This changing nature of a power system has considerable effect on its dynamic behaviors resulting in power swings, dynamic interactions between different power system devices, and less synchronized coupling. This paper presents some analyses of this changing nature of power systems and their dynamic behaviors to identify critical issues that limit the large-scale integration of wind generators and FACTS devices. In addition, this paper addresses some general concerns toward high compensations in different grid topologies. The studies in this paper are conducted on the New England and New York power system model under both small and large disturbances. From the analyses, it can be concluded that high compensation can reduce the security limits under certain operating conditions, and the modes related to operating slip and shaft stiffness are critical as they may limit the large-scale integration of wind generation.

The Enhanced Single-dish Control System and wide surveys of compact sources

The Italian radio telescopes currently undergo a major upgrade period in response to the growing demand for deep radio observations, such as surveys on large sky areas or observations of vast samples of compact radio sources. The optimised employment of the Italian antennas, at first constructed mainly for VLBI activities and provided with a control system (FS – Field System) not tailored to single-dish observations, required important modifications in particular of the guiding software and data acquisition system. The production of a completely new control system called ESCS (Enhanced Single-dish Control System) for the Medicina dish started in 2007, in synergy with the software development for the forthcoming Sardinia Radio Telescope (SRT). The aim is to produce a system optimised for single-dish observations in continuum, spectrometry and polarimetry. ESCS is also planned to be installed at the Noto site. A substantial part of this thesis work consisted in designing and developing subsystems within ESCS, in order to provide this software with tools to carry out large maps, spanning from the implementation of On-The-Fly fast scans (following both conventional and innovative observing strategies) to the production of single-dish standard output files and the realisation of tools for the quick-look of the acquired data. The test period coincided with the commissioning phase for two devices temporarily installed – while waiting for the SRT to be completed – on the Medicina antenna: a 18-26 GHz 7-feed receiver and the 14-channel analogue backend developed for its use. It is worth stressing that it is the only K-band multi-feed receiver at present available worldwide. The commissioning of the overall hardware/software system constituted a considerable section of the thesis work. Tests were led in order to verify the system stability and its capabilities, down to sensitivity levels which had never been reached in Medicina using the previous observing techniques and hardware devices. The aim was also to assess the scientific potential of the multi-feed receiver for the production of wide maps, exploiting its temporary availability on a mid-sized antenna. Dishes like the 32-m antennas at Medicina and Noto, in fact, offer the best conditions for large-area surveys, especially at high frequencies, as they provide a suited compromise between sufficiently large beam sizes to cover quickly large areas of the sky (typical of small-sized telescopes) and sensitivity (typical of large-sized telescopes). The KNoWS (K-band Northern Wide Survey) project is aimed at the realisation of a full-northern-sky survey at 21 GHz; its pilot observations, performed using the new ESCS tools and a peculiar observing strategy, constituted an ideal test-bed for ESCS itself and for the multi-feed/backend system. The KNoWS group, which I am part of, supported the commissioning activities also providing map-making and source-extraction tools, in order to complete the necessary data reduction pipeline and assess the general system scientific capabilities. The K-band observations, which were carried out in several sessions along the December 2008-March 2010 period, were accompanied by the realisation of a 5 GHz test survey during the summertime, which is not suitable for high-frequency observations. This activity was conceived in order to check the new analogue backend separately from the multi-feed receiver, and to simultaneously produce original scientific data (the 6-cm Medicina Survey, 6MS, a polar cap survey to complete PMN-GB6 and provide an all-sky coverage at 5 GHz).

Lernen mit einer Hybride aus Lernendem Klassifizierendem System und Selbstorganisierender Karte

Im Forschungsgebiet der Künstlichen Intelligenz, insbesondere im Bereich des maschinellen Lernens, hat sich eine ganze Reihe von Verfahren etabliert, die von biologischen Vorbildern inspiriert sind. Die prominentesten Vertreter derartiger Verfahren sind zum einen Evolutionäre Algorithmen, zum anderen Künstliche Neuronale Netze. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Systems zum maschinellen Lernen, das Charakteristika beider Paradigmen in sich vereint: Das Hybride Lernende Klassifizierende System (HCS) wird basierend auf dem reellwertig kodierten eXtended Learning Classifier System (XCS), das als Lernmechanismus einen Genetischen Algorithmus enthält, und dem Wachsenden Neuralen Gas (GNG) entwickelt. Wie das XCS evolviert auch das HCS mit Hilfe eines Genetischen Algorithmus eine Population von Klassifizierern - das sind Regeln der Form [WENN Bedingung DANN Aktion], wobei die Bedingung angibt, in welchem Bereich des Zustandsraumes eines Lernproblems ein Klassifizierer anwendbar ist. Beim XCS spezifiziert die Bedingung in der Regel einen achsenparallelen Hyperquader, was oftmals keine angemessene Unterteilung des Zustandsraumes erlaubt. Beim HCS hingegen werden die Bedingungen der Klassifizierer durch Gewichtsvektoren beschrieben, wie die Neuronen des GNG sie besitzen. Jeder Klassifizierer ist anwendbar in seiner Zelle der durch die Population des HCS induzierten Voronoizerlegung des Zustandsraumes, dieser kann also flexibler unterteilt werden als beim XCS. Die Verwendung von Gewichtsvektoren ermöglicht ferner, einen vom Neuronenadaptationsverfahren des GNG abgeleiteten Mechanismus als zweites Lernverfahren neben dem Genetischen Algorithmus einzusetzen. Während das Lernen beim XCS rein evolutionär erfolgt, also nur durch Erzeugen neuer Klassifizierer, ermöglicht dies dem HCS, bereits vorhandene Klassifizierer anzupassen und zu verbessern. Zur Evaluation des HCS werden mit diesem verschiedene Lern-Experimente durchgeführt. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird in einer Reihe von Lernproblemen aus den Bereichen der Klassifikation, der Funktionsapproximation und des Lernens von Aktionen in einer interaktiven Lernumgebung unter Beweis gestellt.

Modelling and analysis of networked control strategies in smart power distribution grids: development of co-simulation tools

This thesis is focused on Smart Grid applications in medium voltage distribution networks. For the development of new applications it appears useful the availability of simulation tools able to model dynamic behavior of both the power system and the communication network. Such a co-simulation environment would allow the assessment of the feasibility of using a given network technology to support communication-based Smart Grid control schemes on an existing segment of the electrical grid and to determine the range of control schemes that different communications technologies can support. For this reason, is presented a co-simulation platform that has been built by linking the Electromagnetic Transients Program Simulator (EMTP v3.0) with a Telecommunication Network Simulator (OPNET-Riverbed v18.0). The simulator is used to design and analyze a coordinate use of Distributed Energy Resources (DERs) for the voltage/var control (VVC) in distribution network. This thesis is focused control structure based on the use of phase measurement units (PMUs). In order to limit the required reinforcements of the communication infrastructures currently adopted by Distribution Network Operators (DNOs), the study is focused on leader-less MAS schemes that do not assign special coordinating rules to specific agents. Leader-less MAS are expected to produce more uniform communication traffic than centralized approaches that include a moderator agent. Moreover, leader-less MAS are expected to be less affected by limitations and constraint of some communication links. The developed co-simulator has allowed the definition of specific countermeasures against the limitations of the communication network, with particular reference to the latency and loss and information, for both the case of wired and wireless communication networks. Moreover, the co-simulation platform has bee also coupled with a mobility simulator in order to study specific countermeasures against the negative effects on the medium voltage/current distribution network caused by the concurrent connection of electric vehicles.