Design of a state observer using decay rate LMI constraints for fault detection in mechanical systems

Nowadays, one of the most important concerns for many companies is to maintain the operation of their systems without sudden equipment break down. Because of this, new techniques for fault detection and location in mechanical systems subject to dynamic loads have been developed. This paper studies of the influence of the decay rate in the design of state observers using LMI for fault detection in mechanical systems. This influence is analyzed by the performance index proposed by Huh and Stein for the condition of a state observer. An example is presented to illustrate the methodology discussed.

Optimal phasor measurement units placement for fault location on overhead electric power distribution feeders

This paper proposes a new approach for optimal phasor measurement units placement for fault location on electric power distribution systems using Greedy Randomized Adaptive Search Procedure metaheuristic and Monte Carlo simulation. The optimized placement model herein proposed is a general methodology that can be used to place devices aiming to record the voltage sag magnitudes for any fault location algorithm that uses voltage information measured at a limited set of nodes along the feeder. An overhead, three-phase, three-wire, 13.8 kV, 134-node, real-life feeder model is used to evaluate the algorithm. Tests show that the results of the fault location methodology were improved thanks to the new optimized allocation of the meters pinpointed using this methodology. © 2011 IEEE.

Distribution system restoration in a DG environment using a heuristic constructive multi-start algorithm

This paper proposes a heuristic constructive multi-start algorithm (HCMA) to distribution system restoration in real time considering distributed generators installed in the system. The problem is modeled as nonlinear mixed integer and considers the two main goals of the restoration of distribution networks: minimizing the number of consumers without power and the number of switching. The proposed algorithm is implemented in C++ programming language and tested using a large real-life distribution system. The results show that the proposed algorithm is able to provide a set of feasible and good quality solutions in a suitable time for the problem. © 2011 IEEE.

Mathematical decomposition technique applied to the probabilistic power flow problem

In this paper a framework based on the decomposition of the first-order optimality conditions is described and applied to solve the Probabilistic Power Flow (PPF) problem in a coordinated but decentralized way in the context of multi-area power systems. The purpose of the decomposition framework is to solve the problem through a process of solving smaller subproblems, associated with each area of the power system, iteratively. This strategy allows the probabilistic analysis of the variables of interest, in a particular area, without explicit knowledge of network data of the other interconnected areas, being only necessary to exchange border information related to the tie-lines between areas. An efficient method for probabilistic analysis, considering uncertainty in n system loads, is applied. The proposal is to use a particular case of the point estimate method, known as Two-Point Estimate Method (TPM), rather than the traditional approach based on Monte Carlo simulation. The main feature of the TPM is that it only requires resolve 2n power flows for to obtain the behavior of any random variable. An iterative coordination algorithm between areas is also presented. This algorithm solves the Multi-Area PPF problem in a decentralized way, ensures the independent operation of each area and integrates the decomposition framework and the TPM appropriately. The IEEE RTS-96 system is used in order to show the operation and effectiveness of the proposed approach and the Monte Carlo simulations are used to validation of the results. © 2011 IEEE.

Optimal reactive power dispatch using stochastic chance-constrained programming

Deterministic Optimal Reactive Power Dispatch problem has been extensively studied, such that the demand power and the availability of shunt reactive power compensators are known and fixed. Give this background, a two-stage stochastic optimization model is first formulated under the presumption that the load demand can be modeled as specified random parameters. A second stochastic chance-constrained model is presented considering uncertainty on the demand and the equivalent availability of shunt reactive power compensators. Simulations on six-bus and 30-bus test systems are used to illustrate the validity and essential features of the proposed models. This simulations shows that the proposed models can prevent to the power system operator about of the deficit of reactive power in the power system and suggest that shunt reactive sourses must be dispatched against the unavailability of any reactive source. © 2012 IEEE.

Development of a simplified transmission line model directly in the phase domain

A transmission line digital model is developed direct in the phase and time domains. The successive modal transformations considered in the three-phase representation are simplified and then the proposed model can be easily applied to several operation condition based only on the previous knowing of the line parameters, without a thorough theoretical knowledge of modal analysis. The proposed model is also developed based on lumped elements, providing a complete current and voltage profile at any point of the transmission system. This model makes possible the modeling of non-linear power devices and electromagnetic phenomena along the transmission line using simple electric circuit components, representing a great advantage when compared to several models based on distributed parameters and inverse transforms. In addition, an efficient integration method is proposed to solve the system of differential equations resulted from the line modeling by lumped elements, thereby making possible simulations of transient and steady state using a wide and constant integration step. © 2012 IEEE.

Observer-based control design for switched affine systems and applications to DC-DC converters

This paper deals with the problem of establishing a state estimator for switched affine systems. For that matter, a modification on the Luenberger observer is proposed, the switched Luenberger observer, whose idea is to design one output gain matrix for each mode of the original system. The efficiency of the proposed method relies on a simplification on estimation error which is proved always valid, guaranteeing the estimation error to asymptotically converge to zero, for any initial state and switching law. Next, a dynamic output-dependent switching law is formulated. Then, design methodologies using linear matrix inequalities are proposed, which, to the authors's knowledge, have not yet been applied to this problem. Finally, observers for DC-DC converters are designed and simulated as application examples. © 2013 Brazilian Society for Automatics - SBA.

Simplified procedure to estimate the resistance parameters of transmission lines

An alternative and simplified procedure is described to estimate the longitudinal resistances of transmission lines based on the real-time load profile. This method proposes to estimate the resistance parameters from the synchronized measurements of complex currents and complex voltages at the sending and receiving ends of transmission systems. The synchronized measurements can be in practice obtained using phasor measurement units (PMUs). © 2012 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Detecção e classificação de faltas de curto-circuito em sistemas de distribuição de energia elétrica usando lógica nebulosa

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Utilização de índices de estabilidade transitória para redespacho de geração

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Aproveitamento da biomassa flutuante do Rio Madeira para geração de energia elétrica

A universalização do fornecimento de energia elétrica é uma meta ainda distante de ser alcançada na Amazônia brasileira, em face dos obstáculos geográficos, da dispersão de seus habitantes, da indefinição de tecnologias adequadas, além dos aspectos econômicos, em que pese ações governamentais, traduzidas no Programa Luz para Todos - PLpT, criado em 2003, cuja meta é atender a totalidade dos consumidores rurais até 2010, e a determinação da Agência Nacional de Energia Elétrica –ANEEL, responsável no Brasil pela regulação do setor elétrico, da obrigatoriedade da universalização até 2015. Este trabalho descreve pesquisa realizada no rio Madeira, na Amazônia brasileira, em que a geração de energia elétrica para atendimento de comunidades e pequenas cidades ao longo do rio, contribuindo para a universalização, pode ser viabilizada usando como fonte renovável inédita a biomassa lenhosa depositada no fundo do rio, decorrente de processos naturais, cuja retirada faz parte da rotina do Ministério dos Transportes, por obrigação legal, para viabilizar segurança na navegação. Como etapa inicial foram realizadas revisões bibliográficas para dar suporte à fundamentação teórica acerca de sistema elétrico brasileiro, universalização de acesso à energia elétrica, fontes renováveis na Amazônia, tecnologias para geração de eletricidade usando biomassa como fonte, subsídios no setor elétrico do Brasil, o rio Madeira, suas características e importância, além de ferramentas de análise de investimento. Em seguida, foram coletadas informações junto à AHIMOC, órgão responsável pela hidrovia do Madeira, quanto aos dados quantitativos e qualitativos da retirada de biomassa lenhosa do leito desse rio, bem como trabalhos de coleta in locu de amostras dessa biomassa para posterior análise de suas características físico-químicas em laboratório da UFAM. De posse dessas informações procedeu-se a avaliação de potencial de geração de energia elétrica da biomassa, assim como de rotas tecnológicas para tal. Os resultados obtidos das biomassas coletadas serviram como balizadores para confirmação de valores constantes na literatura e foram usados posteriormente na avaliação de potencial de geração de energia elétrica com identificação de rotas tecnológicas para tal. Etapa posterior contemplou a obtenção junto à concessionária de identificação e caracterização de potenciais mercados consumidores localizados na calha do Rio Madeira. Uma vez caracterizada a biomassa disponível, as possíveis rotas tecnológicas e os potenciais mercados consumidores, foram avaliados os aspectos tecnológicos, econômicos, ambientais, sociais e legais envolvidos. O estudo conclui pela competitividade do sistema de gaseificação, podendo contribuir para a universalização do acesso a eletricidade, cuja viabilização depende de adoção de política pública neste sentido, a partir de ações entre os Ministérios dos Transportes, de Minas e Energia e do Meio Ambiente. Conclui, também, pelo potencial de atração de capital privado, o que contribuiria para a redução de gastos públicos. Trabalhos futuros quanto à replicabilidade do estudo em áreas com fenômeno semelhante, bem como de oportunidades de uso de outras biomassas apresentam-se viáveis.

Implementação e testes de campo de um ESP digital

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento e os resultados da implementação e testes em campo de um estabilizador de sistema de potência (ESP) projetado com técnica de controle digital para fins de amortecimento de modos de oscilação eletromecânica observáveis em sinais de potência elétrica medido em uma unidade hidro-geradora, de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruí. É apresentada e aplicada a metodologia de identificação de modelos paramétricos lineares do tipo auto regressivo com entradas exógenas (ARX), para estimação de modelos com capacidade de capturar a informação relevante (amortecimento e freqüência natural) dos modos eletromecânicos dominantes do sistema. De posse do modelo paramétrico ARX, é efetuada então a síntese da lei de controle digital amortecedor para o ESP, através da técnica de deslocamento radial dos pólos da função de transferência de malha fechada. Para a síntese da lei de controle digital, utilizou-se uma estrutura canônica do tipo RST. Para os testes de campo, a lei de controle amortecedor do ESP digital foi codificada em linguagem C e embarcada em um protótipo cujo hardware é baseado em microcontrolador modelo DSPIC 30F3014, o qual incorpora um grande número de periféricos para aquisição e comunicação de dados. Para avaliar o desempenho do ESP digital desenvolvido, testes experimentais foram realizados em uma unidade geradora de 350 MVA da casa de força número 1, da UHE de Tucuruí. O estabilizador desenvolvido atua através da modulação da referência de tensão do regulador automático de tensão da respectiva unidade geradora, de acordo com as oscilações observadas através da medida de potência elétrica no estator do gerador. Os resultados de testes de campo mostraram um excelente desempenho do ESP digital no amortecimento de um modo eletromecânico, de freqüência natural de aproximadamente 1,7 Hz, observado nos teste de campo realizado.

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.

Uso de árvore de decisão para avaliação da segurança estática em tempo real de sistemas elétricos de potência

As técnicas utilizadas para avaliação da segurança estática em sistemas elétricos de potência dependem da execução de grande número de casos de fluxo de carga para diversas topologias e condições operacionais do sistema. Em ambientes de operação de tempo real, esta prática é de difícil realização, principalmente em sistemas de grande porte onde a execução de todos os casos de fluxo de carga que são necessários, exige elevado tempo e esforço computacional mesmo para os recursos atuais disponíveis. Técnicas de mineração de dados como árvore de decisão estão sendo utilizadas nos últimos anos e tem alcançado bons resultados nas aplicações de avaliação da segurança estática e dinâmica de sistemas elétricos de potência. Este trabalho apresenta uma metodologia para avaliação da segurança estática em tempo real de sistemas elétricos de potência utilizando árvore de decisão, onde a partir de simulações off-line de fluxo de carga, executadas via software Anarede (CEPEL), foi gerada uma extensa base de dados rotulada relacionada ao estado do sistema, para diversas condições operacionais. Esta base de dados foi utilizada para indução das árvores de decisão, fornecendo um modelo de predição rápida e precisa que classifica o estado do sistema (seguro ou inseguro) para aplicação em tempo real. Esta metodologia reduz o uso de computadores no ambiente on-line, uma vez que o processamento das árvores de decisão exigem apenas a verificação de algumas instruções lógicas do tipo if-then, de um número reduzido de testes numéricos nos nós binários para definição do valor do atributo que satisfaz as regras, pois estes testes são realizados em quantidade igual ao número de níveis hierárquicos da árvore de decisão, o que normalmente é reduzido. Com este processamento computacional simples, a tarefa de avaliação da segurança estática poderá ser executada em uma fração do tempo necessário para a realização pelos métodos tradicionais mais rápidos. Para validação da metodologia, foi realizado um estudo de caso baseado em um sistema elétrico real, onde para cada contingência classificada como inseguro, uma ação de controle corretivo é executada, a partir da informação da árvore de decisão sobre o atributo crítico que mais afeta a segurança. Os resultados mostraram ser a metodologia uma importante ferramenta para avaliação da segurança estática em tempo real para uso em um centro de operação do sistema.

Comparação de métodos baseados em algoritmos genéticos para ajuste coordenado de estabilizadores de sistemas de potência

Essa dissertação de mestrado apresenta um estudo comparativo entre três metodologias baseadas em algoritmos genéticos para ajuste coordenado de estabilizadores de sistemas de potência (ESP). Os procedimentos de ajuste do ESP são formulados como um problema de otimização, a fim de: 1) maximizar o coeficiente de amortecimento mínimo do sistema em malha fechada; 2) maximizar o somatório de todos os coeficientes de amortecimento do sistema em malha fechada; e 3) deslocar os modos eletromecânicos poucos amortecidos ou mal amortecidos para uma zona pré-escrita no plano s. As três metodologias consideram um conjunto de condições de operacionais pré-especificadas. O sistema elétrico foi representado por equações no espaço de estado e as matrizes associadas com a modelagem foram obtidas por meio da versão acadêmica do programa PacDyn. As simulações foram realizadas usando o MATLAB. As metodologias foram aplicadas no conhecido sistema teste New England.