Método de implementação de Sistema de Diagnóstico de Falta para subestações baseado em Redes de Petri

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This paper presents a methodology for the development of a Fault Diagnosis System (FDS) based on Hierarchical Colored Petri Nets. The proposed FDS aims to evaluate the information from the SCADA and to present a fault diagnosis sucint and accurate to

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  MÉTODODEIMPLEMENTAÇÃODESISTEMADEDIAGNÓSTICO DEFALTA PARASUBESTAÇÕESBASEADOEMREDESDEPETRI Raimundo Furtado Sampaio ∗ rfurtado@coelce.com.br Giovanni Cordeiro Barroso † gcb@fisica.ufc.br Ruth Pastôra Saraiva Leão ‡ rleao@dee.ufc.br ∗ COMPANHIA ENERGÉTICA DO CEARÁ † DEPARTAMENTO DE FÍSICA-UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ ‡ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA-UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ ABSTRACT This paper presents a methodology for the development of a Fault Diagnosis System (FDS) based on Hierarchical Col-ored Petri Nets. The proposed FDS aims to evaluate the in-formation from the SCADA and to present a fault diagnosissucint and accurate to the power system operators, causingthe task of fault diagnosis faster, reliable and less stressful.The proposed methodology is developed and applied to atypical distribution substation with digital relays, 15 MVA,69 kV/13,8 kV, owned by the local distribution utility, Com-panhia Energética do Ceará (Brazil). KEYWORDS : Substation automation, fault diagnosis, col-ored Petri nets, SCADA system. RESUMO Este trabalho apresenta um método de desenvolvimento deSistema de Diagnóstico de Faltas (SDF) utilizando Redes dePetri Coloridas Hierárquicas. O SDF proposto visa analisaras informaçõesadvindasdoSCADAeapresentardiagnóstico Artigo submetido em 22/06/041a. Revisão em 19/10/042a. Revisão em 27/04/053a. Revisão em 17/06/054a. Revisão em 21/12/05Aceito sob recomendação do Ed. Assoc. Prof. Paulo Eigi Miyagi de falta sucinto e preciso aos operadores de sistema elétrico,tornandoa tarefa de diagnósticode falta, mais rápida, confiá-vel e menos estressante. O método proposto é desenvolvidoe aplicado a uma subestação típica de distribuição, digitali-zada, de 15 MVA, 69/13,8 kV, pertencente ao sistema de dis-tribuição da Companhia Energética do Ceará – COELCE. PALAVRAS-CHAVE : Automação de subestação, diagnósticode faltas, redes de Petri coloridas, sistema SCADA. 1 INTRODUÇÃO A crescente utilização de sofisticados sistemas de informa-ção para supervisão e controle dos sistemas elétricos, comaplicação de relés multifunção baseados em microprocessa-dores, e sistemas SCADA distribuídos, tem contribuído parao aumentoda segurançae da confiabilidadedos sistemas elé-tricos. No entanto, para os profissionais da operação, a tarefade análise e diagnósticos de faltas tornou-se complexa. Apósumaocorrêncianosmodernossistemaselétricos,as faltassãoanalisadas com base nas informações disponibilizadas pelossistemas SCADA. Neste processo, o profissional deve ana-lisar e identificar as possíveis causas da falta, e tomar a de-cisão de restabelecer o sistema elétrico com segurança e emtempo hábil. Apesar de comum, esta é uma tarefa estressantee complexa que pode demandar longo tempo em caso de fal-tas envolvendofalhanosistema deproteção,descoordenação Revista Controle & Automação/Vol.16 no.4/Outubro, Novembro e Dezembro 2005 417  de proteção, ou múltiplas faltas no sistema elétrico.O sistema SCADA de subestação coleta eventos e alarmesdetalhados referentes a manobras, alarmes de superação delimites, sinalizações, ordens de comando,partidas e atuaçõespor fase e neutro da proteção,abertura e fechamentode equi-pamento de disjunção, rearmes, valores analógicos de ten-são e de corrente de equipamentos envolvidos na falta, todoscom seus respectivos registros de tempo. Para tomar a deci-são de repor o sistema elétrico, o operador necessita analisarapenas os dados referentes aos equipamentos de disjunção efunções de proteção que atuaram e/ou falharam. No entanto,a massa de dados disponibilizados pelo SCADA dificulta aanálise por parte do profissional de operação, podendo levá-lo a erros de interpretação ou retardar o restabelecimento dosistema. Existe, portanto, uma demanda por uma ferramentacomputacional efetivamente eficiente, capaz de analisar asinformações provenientes do SCADA com rapidez e exati-dão.O sistema de diagnóstico de faltas é uma ferramenta de su-porte ao operador para identificação, localização e diagnós-tico de faltas simples e complexas, auxiliando a área de ope-raçãodas empresasde energiadurantecondiçõesquedeman-dam rapidez e precisão na tomada de decisão.Este artigo tem por objetivo apresentar um método de imple-mentação de Sistemas de Diagnóstico de Faltas (SDF) parasubestação baseado em Redes de Petri Coloridas Hierárqui-cas (RPC-H) (Sampaio  et alii , Junho 2002; Sampaio  et alii ,2003). Um modelo de SDF foi desenvolvido para a subesta-ção de distribuição da Companhia Energética do Ceará.O artigo está organizado em seis seções. Na introdução éapresentada a motivaçãopara o desenvolvimentode uma fer-ramenta computacional de auxílio ao operador voltada ao di-agnóstico de falta em tempo real. Na seção dois são apresen-tadas as técnicas utilizadas no desenvolvimento de funçõesavançadas de apoio à tomada de decisão, e as vantagens dasredes de Petri na modelagem de sistemas de diagnóstico defaltas. A seção três apresenta o conceito de sistema centrali-zado e distribuído e a seção quatro descreve o método apli-cado no desenvolvimento do SDF. Na seção cinco o métodobaseadoemredesdePetricoloridashierárquicaséusadoparamodelar o SDF do vão de banco de capacitores. Finalmenteas conclusões são apresentadas na seção seis. 2 TÉCNICAS COMPUTACIONAIS DEAPOIO À TOMADA DE DECISÃO Ao longo dos anos vários trabalhos têm sido propostos utili-zando técnicas computacionais modernas para implementa-ção de ferramentas avançadas de automação para auxiliar osprofissionais da operação de sistemas elétricos no processode tomada de decisão. Dentre as ferramentas propostas têm-se os Sistemas de Tratamento de Alarmes, os Sistemas deDiagnóstico de Faltas e os Sistemas de Reposição Automáti-cos.Para implementação desses sistemas têm-se utilizado técni-cas computacionais como redes neurais, lógica fuzzy, siste-mas baseados em conhecimento, diagrama de causa e efeito,e redes de Petri (Vale  et alii , 2003; Infra  et alli , 1995; Brittes,1998; Silva  et alli , 1995;Lee et alli, 2000; Chen et alli , 2000;Yang and Yokohama, 1995; Lo  et alli , 1997; Sampaio  et alli ,Junho 2002, Set. 2002, 2003).Dentreas váriastécnicas mencionadas,as mais utilizadas sãosistemas especialistas e redes neurais. Os sistemas especi-alistas oferecem soluções ao diagnóstico de faltas, mas estatécnica apresentadificuldadede manutençãoe/ou de adequa-ção da base de conhecimento, devido ao enorme número deregras, o que pode facilmente gerar inconsistências. Ade-mais, o tempo de resposta normalmente não é satisfatório auma aplicação em tempo real devido à representação de co-nhecimentoeomecanismodeinferência(Chen etalli , 2000).O uso de rede neural artificial é uma solução potencial paraos problemas encontradoscom os sistemas especialistas. Po-rém alguns problemas com as redes neurais ainda permane-cem sem solução em aplicações práticas como convergêncialenta no processo de treinamento, e a determinação dos pa-râmetros de rede como de unidades escondidas, camadas, etaxa de aprendizagem (Chen  et alli , 2000). Além disso, nasredes neurais não se pode determinar como os resultados sãoobtidos, ou como o diagnóstico é alcançado a partir do resul-tado, e quando a configuração do sistema em estudo muda, arede neural necessita ser treinada novamente.As Redes de Petri (RP) são uma ferramenta matemática comvisualização gráfica, capaz de modelar, analisar, controlar,validar e implementar diferentes sistemas, em especial sis-temas a eventos discretos (Murata, 1989). As RPs têm sidoaplicadas na modelagem, análise e implementação de siste-mas de controle, restauração, e diagnóstico de falta em sis-temas de potência (Yang and Yokohama, 1995; Lo  et alli ,1997; Sampaio  et alli , Junho 2002, Set. 2002, 2003).Durante as últimas décadas, muitos sistemas computacionaisdesenvolvidos para monitoramento e controle de sistemas depotência em tempo real não foram concebidos com capaci-dade de expansibilidadee manutenibilidade,tornando-se ob-soletos mediante a necessidade de atualização dos softwarespara atender aos novos requerimentosoperacionaisdos siste-mas de potência (Zhu, 1997).O método proposto neste trabalho baseado em uma extensãodas RPs apresenta vantagens em relação às demais técnicascomputacionais. No SDF proposto, modelos de rede de Pe- 418 Revista Controle & Automação/Vol.16 no.4/Outubro, Novembro e Dezembro 2005  tri são desenvolvidos para o sistema de proteção de cada vãoda subestação, os quais podem ser validados enquanto mo-delos e posteriormente implementados. A modularidade dosistema proposto torna a tarefa de manutençãoe modificaçãodo sistema de diagnóstico fácil e rápida. Por serem modula-res, os modelos podem também ser reutilizados e facilmenteadaptados para outro vão da subestação ou para subestaçõesde diferentes topologias. Além disso, as atuações de relése aberturas de disjuntores podem ser inferidas mais correta-mente utilizando esta técnica, dado que as RPs permitem:a) Representar através dos modelos desenvolvidos as cau-salidades entre faltas nos componentes do sistema depotência, ações de relés de proteção e disjuntores;b) Representar explicitamente os estados de operação dosdispositivos de proteção (atuação correta/falsa de relé edefeito em disjuntor);c) Manusearinformaçõesdeseqüênciadeoperaçãodedis- juntores e relés;d) Permitir a validação dos modelos independenteda dinâ-mica do sistema de potência;e) Assegurar que um determinado modelo de SDF possuaa qualidade desejada;f) Possível redução do tempo de inferência, por serem asRPs adequadas ao processamento paralelo;g) Permitir comparação entre diferentes modelos de prote-ção.Adicionalmente, o processo de diagnóstico baseado em RPsapresenta a vantagemde empregarmodelos matriciais, de fá-cil manipulaçãoe de baixo custo computacional,o que reduzo tempo de processamento e aumenta a exatidão dos resulta-dosemrelaçãoaoscomplexosprocessosdepesquisanormal-mente utilizados em outras técnicas computacionais, especi-almente quando o grau de complexidade do sistema cresce.Além do mais, o método proposto pode também esclarecerincertezas nos sinais recebidos e possui maior capacidade deadaptação às mudanças na configuração da rede. 2.1 Redes de Petri Coloridas Hierárqui-cas Neste trabalho foi utilizada uma extensão de RP denominadade Redes de Petri Coloridas Hierárquicas(RPC-H). As RPC-H são capazes de representar modelos com alto nível de abs-tração, melhor representação gráfica, maior compactação, edados estruturados que permitem a construção modular darede de forma similar às usadas em linguagens de programa-ção estruturada. A capacidade de uma RPC-H modelar umsistema hierarquicamenteresulta do fato de que uma rede in-teira pode ser substituída por um simples lugar ou transição,em um nível mais abstrato e compacto, denominados, res-pectivamente, de lugar de fusão e transição de substituição.Assim, lugares e transições podem ser substituídos por sub-redes para prover um modelo mais detalhado (Jansen, 1992,1994, 1997).O modelo RPC-H, através de suas fichas coloridas, explicitatodas as funções e estados dos elementos de um sistema deproteção. Assim, oestadoinicialdaRPC érepresentadoatra-vés dos eventos disponibilizados pelo SCADA relacionadosaos dispositivos e equipamentos do sistema de proteção queatuaram durante uma falta. A RPC é então executada e seuestado final representará com precisão o vão em que ocor-reu a falta e/ou falha, a função de proteção que atuou comindicação da fase, o disjuntor que interrompeu a falta, e asprováveis causas da ocorrência, diminuindo assim, o tempode análise da falta e de tomada de decisão para reposição dosistema.Para a análise de falta em uma subestação em um proce-dimento convencional, o operador deve identificar na listacompleta de eventos disponibilizada pelo sistema supervisó-rio SCADA os equipamentos que atuaram e/ou falharam. Deposse destes dados, o operador deve identificar a partir deuma análise o local e a causa da falta para tomar a decisãode repor o sistema ou chamar a equipe de manutenção paraa solução do problema. No processo de diagnóstico automá-tico, após a falta, o modelodo SDF, baseado em RPC, recebeos dados disponibilizados na lista de eventos do SCADA, se-leciona os dados de interesse usados para a marcação inicialda RPC, executa a rede e apresenta as funções de proteçãoque atuaram e/ou falharam, a área em que ocorreu a falta eas causas primárias da mesma. Sendo assim, o modelo RPCproposto é um modelo não cíclico, cuja marcação inicial édefinida somente pelos equipamentos envolvidos numa faltaespecífica, seja ela simples ou múltipla, e a marcação finaldetermina quais equipamentos atuaram e/ou falharam, defi-nindo, assim, uma ou mais áreas específicas de ocorrênciadafalta. Após a análise e armazenamentoda marcaçãofinal (di-agnóstico), o sistema é reiniciado, ou seja, retorna ao estadode espera de uma nova marcação inicial quando da ocorrên-cia deoutrafalta, descartandoamarcaçãofinalanteriormenteencontrada.Para análise lógica dos modelos, inicialmente foram, cons-truídos modelos cíclicos e pode-se constatar que ao utilizaruma marcaçãoinicial comtodas as possíveisfunçõesde relése todos os disjuntores associados a uma dada zona de prote-ção, a RPC era viva, limitada e reversível. No entanto, paraa aplicação do SDF, uma rede cíclica não apresentaria comrapidez um estado específico do sistema que é o estado apósa ocorrência de uma falta. Desta forma, foi construída uma Revista Controle & Automação/Vol.16 no.4/Outubro, Novembro e Dezembro 2005 419                       Figura 1: Configuração de SDF Centralizado (a) e SDF Dis-tribuído (b)rede não cíclica que a cada execução apresenta somente umainstanciação das variáveis e, por conseguinte, o conjunto deestados é pequeno e rápido se ser alcançado. 3 ABORDAGENS PARA DESENVOLVI-MENTO DE UM SDF Existem basicamente duas abordagens que podem ser adota-das para o desenvolvimentode um SDF, a abordagemcentra-lizada e a distribuída, conforme ilustrado na Figura 1.Na abordagem centralizada, Figura 1 (a), o SDF é integradoa um sistema SCADA/DMS no Centro de Operação do Sis-tema (COS), realizando o diagnóstico a partir das informa-ções reportadaspara este sistema. Na abordagemdistribuída,ilustrada na Figura 1 (b), os SDF são integrados aos siste-mas SCADA/SDA (Sistemas Digitais de Automação)das su-bestações (SE) e reportam os resultados dos diagnósticos aoCOS.O SDFdistribuídoapresentadentreoutrasas seguintesvanta-gens sobre o SDF centralizado: a) utiliza para análise apenasos dados disponíveis na subestação, otimizando e reduzindoa dimensão do sistema; b) apresenta maior confiabilidade,tendo em vista o resultado do diagnóstico não estar tão de-pendente do meio de comunicação;c) dispõe de informaçõesimportantes para o diagnóstico de faltas que comumente nãosão reportadas para o COS, a exemplo dos dados de partidade relé; e d) libera os canais de comunicação para outros finsuma vez que apenas o resultado do diagnóstico é transferidoao nível superior.No método distribuído, os SDF locais realizam os diagnósti-cos das faltas a partir dos eventos reportados pelos respecti-vos SCADA da subestação. Os SDF geram relatórios locaisàs subestações, bem como disponibilizam ao COS os resul-tados de diagnósticos de faltas. No COS, os dados de diag-nósticos de faltas são disponibilizados para os operadores e         Figura 2: Estrutura Modular de um SDF para Subestação.reportados para um SDF central responsável pelos diagnósti-cos de faltas que envolvem subestações interligadas. 4 MÉTODO PROPOSTO PARA DESEN-VOLVIMENTO DE UM SDF O método desenvolvido para sistemas de diagnóstico de fal-tas apresentadanestetrabalhoutilizaaabordagemdistribuídae está baseada no particionamentoda subestação por zona deproteção caracterizandoo SDF como localmente distribuído.O Sistema de Diagnóstico de Falta proposto, conforme ilus-trado na Figura 2, é integrado ao sistema SCADA da subes-tação e realiza os diagnósticos das faltas a partir de uma listade eventos reportados pelo sistema SCADA da subestação.Como pode ser observado o SDF é distribuído, ou seja, paracada zona de proteção um módulo SDF é construído e inte-grado ao módulo principal. O módulo principal é responsá-vel pela integração de todos os sub-módulos e a partir deleobtêm-se diagnósticos de faltas que envolvem mais de umazona de proteção. O módulo de cada zona possui interfacecom o sistema SCADA da subestação, recebendo os eventosdas ocorrências na subestação. A partir destes eventos, cadamódulo realiza diagnósticos de faltas referentes àquela zonade proteção específica. Desta forma, o método proposto per-mite a realização de diagnósticos de ocorrências no sistemaelétrico com diferentes graus de complexidade, tais como:falta simples, relacionada a um único vão, ou faltas que en-volvem mais de um vão da subestação tais como faltas múl-tiplas, descoordenação da proteção, e falhas no sistema deproteção.As etapas de desenvolvimento do SDF podem ser assim re-sumidas: •  A subestação é dividida em zonas de proteção. 420 Revista Controle & Automação/Vol.16 no.4/Outubro, Novembro e Dezembro 2005  •  Uma RPC-H é desenvolvida com um módulo principalintegrado aos módulos individuais de cada zona de pro-teção. •  Uma interfaceparaintegraro SDF ao sistema SCADA édesenvolvida visando a coleta e a filtragem dos eventosrelacionadosa cada zonade proteção,os quais são iden-tificados na base de dados do SCADA, decodificados ealocados como marcação inicial das respectivas redes. •  Desenvolvimento de interface para apresentação do re-sultado do diagnóstico ao operador.Dada a ocorrência de um evento, o SDF através da interfacecom o SCADA coleta, filtra e codifica os dados disponibi-lizados pelo SCADA como marcação inicial para a RPC-H.De posse da marcação inicial, a rede é executada e seu es-tado final indica com precisão o vão onde ocorreu a falta, afunção de proteção que operou, com indicação da(s) fase(s)envolvidas, e o disjuntor que interrompeu a falta. A marca-ção final da rede é convertida em relatório através de saídapara apresentação dos resultados do diagnóstico.Uma vez realizado o diagnóstico, armazenadas as informa-ções relativas ao evento e apresentado o relatório, a RPC-H que foi executada é levada ao seu estado inicial, ou seja,elimina-se a marcação final encontrada e a rede está nova-mente pronta para receber uma nova marcação inicial e serexecutada novamente quando da ocorrência de outro evento. 5 DESENVOLVIMENTO DE SDF BASE-ADO EM RPC-H ParaaplicaçãodoSDF foiselecionadaasubestaçãodistribui-dora Beberibe (SE BBR) cujo diagrama unifilar simplificadode proteção é apresentado na Figura 3.A filosofia de proteção para a SE BBR consiste na instala-ção de disjuntores entre cada dois vãos da subestação e relésassociados aos vãos, de forma que zonas de proteção indi-viduais são estabelecidas ao redor de cada vão. As zonasde proteção apresentam regiões de sobreposição, evitando apossibilidade de áreas não protegidas na subestação. Se umafalta ocorrenessas áreas sobrepostas,mais deum relé de pro-teção pode operar.Seguindo o método proposto para o desenvolvimento doSDF, a SE BBR foi dividida nas seguintes zonas de prote-ção: •  Zona de proteção de alta tensão (AT): protegida atravésdo relé Rel que atua sobre o disjuntor principal (12C5)e/ou de transferência (12D1), através de uma chave detransferência da proteção (43C5).                    Figura 3: Diagrama Unifilar da Subestação Beberibe daCompanhia Energética do Ceará. •  Zona de proteção do transformador (TR): protegidaatravés dos relés Rta, Rtd e Rti que atuam sobre os dis- juntores principais e de transferência de alta e/ou médiatensão (12C5, 12D1, 11T1, 11D1) através de chaves detransferência da proteção (43T1a e 43T1b). •  Zona de proteçãode média tensão (MT): protegidaatra-vés do relé Rtb associado ao disjuntor geral do barra-mento de média tensão (11T1) ou através do relé Rdtassociado ao disjuntor de transferência (11D1). O dis- juntor de transferência 11D1 pode substituir o disjuntorgeral 11T1 ou qualquer um dos religadores, para tantoo relé Rdt possui dois grupos de ajustes. •  Zona de proteção do alimentador (AL): cada alimenta-dor é protegido por um relé (Ral, Ra2, Ra3 e Ra4) queatua sobre o religador associado. •  Zona de proteção do banco de capacitores (BC): prote-gida através do relé Rbc associado ao disjuntor (11H2).O particionamento do SDF em módulos, de acordo coma classificação dos eventos na base de dados do sistemaSCADA, facilita o desenvolvimento e a análise formal dosmodelos, bem como a reutilização dos mesmos. Vale salien-tar que para as zonas de alimentadores, como os alimentado-res da SE BBR possuem a mesma configuração, os mesmosserão representados por um único modelo RPC, sendo dife-renciados somente pelas fichas coloridas. Revista Controle & Automação/Vol.16 no.4/Outubro, Novembro e Dezembro 2005 421
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