Detecção e controle de oscilações eletromecânicas usando sistemas de medição fasorial sincronizada

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaNeste documento são apresentadas técnicas de processamento digital de sinais com a finalidade de analisar oscilaçoes e detectar modos eletromecânicos pouco amortecidos de sistemas elétricos de potência. Os sinais usados para a deteção de modos eletromecânicos são oriundos de sistemas teste implementados em programas de análise de estabilidade transitória e também de um Sistema de Medição Fasorial Sincronizada (SMFS), instalado na baixa tensão, que possibilita o monitoramento de todas as regiões do sistema elétrico brasileiro. Dentre as ferramentas utilizadas para análise de sinais, estao o método de Prony e sua extensão para análise de múltiplos sinais, o modelo ARMA, o método de identificação de subespaço de espaço de estados N4SID com e sem a utilização do fator de esquecimento 1. Foi proposta a utilização de um índice de dominância modal (IDM) em conjunto com o método de Prony e o N4SID. O uso conjunto do IDM com os referidos métodos possibilita que a ordenação modal seja feita automaticamente e para o N4SID também permite que a monitoração contínua de modos possa ser feita de forma automática. Também foram utilizadas as transformadas de Hilbert-Huang e a de Teager-Huang, esta última se baseia no operador de energia de Teager-Kaiser (TKEO). Uma extensão para o TKEO foi proposta, já que tal operador fornece apenas amplitudes e frequências instantâneas de sinais unimodais. A extensão proposta neste trabalho permite calcular o amortecimento instantâneo via o operador de energia de Teager- Kaiser. Foi provado, após manipulações, que a fórmula proposta para o cálculo do amortecimento instantâneo via TKEO é bastante similar à utilizada para estimar o amortecimento instantâneo quando se usa a transformada de Hilbert. Os algoritmos de análise de sinais foram validados em sistemas teste e utilizados em análises de ocorrências reais do Sistema Interligado Nacional (SIN), cujos dados foram fornecidos pelo SMFS. Monitorações contínuas foram feitas e os principais modos inter-área puderam ser rastreados perante a presença ou não de grandes distúrbios no SIN. Técnicas de controle multivariável foram utilizadas com a finalidade de projetar controladores centralizados para amortecer oscilações eletromecânicas. Foram considerados projetos de controladores via técnicas de controle ótimo (LQR) com e sem restrições estruturais e o uso de Inequaçoes Matriciais Lineares (LMIs) 2, ambos com realimentações de saída. Na utilização de LMIs, os controladores foram projetados considerando a modelagem do sistema elétrico de potência tanto na forma de equaçõoes de estado quanto na de sistemas descritores. O projeto de controladores a partir de técnicas de otimização não-convexa também foram exploradas. Com a metodologia utilizada é possível pré estabelecer a ordem dos controladores, que podem variar desde ganhos a polinômios com elevado grau. Durante a síntese de controladores, foi necessário considerar a modelagem de atrasos causados pelo tempo de transmissão de dados devido a utilização de sinais remotos do SMFS de diversas regiões geograficamente distantes. A proposta desta tese é identificar sistemas elétricos de potencia a partir de dados de SMFS e, partir dos sistemas identificados, projetar controladores robustos realimentados por sinais locais e remotos de SMFS. Esta meta dificilmente pode ser atingida, ao menos no estágio atual, devido às técnicas de identificação de sistemas não serem capazes de identificar sistemas com a exatidão necessária em certas circunstâncias e ao fato que o projeto de controladores não pode ser feito em tempo hábil. Uma alternativa utilizada, que satisfaz parcialmente os objetivos, foi a aplicação de um controle tipo Gain Schedule (GS), onde controladores previamente projetados para diferentes condições operativas do sistema podem ser chaveados. Os chaveamentos ocorrem a partir da identificação de condições operativas do sistema, feitas por algoritmos de identificação de sistemasIn this research digital signal processing techniques are presented in order to detect and analyze electromechanical oscillation modes in power systems. The analyzed signals, used for detecting electromechanical modes, are acquired from transient stability programs and also from a low voltage synchronized phasor measurement system (SPMS), which enables monitoring all regions of the Brazilian electric power system. The tools used for signal analysis were the Prony method, its extension, the multi-signal Prony method, ARMA models and subspace algorithms like the N4SID, the last implemented with and without a forgetting factor. It was also proposed the use of a modal dominance index (MDI) together with Prony method and the N4SID. The use of MDI with the mentioned methods allows the automatic modal ranking. For the N4SID it is also possible to perform continuous modal monitoring. The Hilbert-Huang and the Teager-Huang, based on the on the Teager-Kaiser energy operator (TKEO), transforms were also used. An extension of the TKEO, which originally allows just the calculation of instantaneous amplitudes and frequencies for monocomponent signals was proposed. This extension allows the calculation of the instantaneous damping via TKEO. It was also demonstrated that the proposed formula for damping calculation via TKEO is very similar to the one used to estimate instantaneous damping via Hilbert transform. All the algorithms used to analyze signals were validated in test systems and after that used to analyze real data from the Brazilian Interconnected Power System (BIPS). The real data were acquired by the SPMS. The main BIPS interarea electromechanical modes were tracked constinuously under ambient data with or without ringdowns. Output feedback multivariable control techniques were used to design centralized controllers to damp electromechanical oscillations. Among the used control techniques are the Linear Quadratic Regulator (LQR) with or without structural restrictions and Linear Matrix Inequalities (LMIs). LMI techniques were used to design controllers for power systems in state-space and also in descriptor systems form. The design of controllers using nonsmooth optimization techniques were also explored. With these methodos it is possible to preset the controllers order, which may vary from static gains to dynamic controllers. The SPMS signal transmission time delay was considered during the control design to account the transmission data time. The thesis puspose is to identify critical electromechanical oscillations through SPMS analysis, then design robust controllers after the identification. This is currently a hard task since identification techniques are not able to identify systems with precision all the time, and also due to the computational burden involved in the control design that also implies in a time delay. An alternative way, used in this work, to circumvent those problems was the Gain Schedule control. In the Gain Schedule control, a set of controllers is designed for several critical situations. When one of these situations is detected, the controller corresponding to the detected operating point is switche