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Título: Otimização da alocação de PMUs em redes elétricas com infraestrutura de comunicações
Autor(es): Cruz, Marco António do Rosário Santos
Orientador: Rocha, Helder Roberto de Oliveira
Palavras-chave: Meta-heurísticas
Busca em vizinhança variável (VNS)
Unidade de medição fasorial (PMU)
Data do documento: 30-Set-2016
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Este trabalho apresenta um novo algoritmo de otimização de custos totais dos Sistemas de Monitoramento em Grandes Areas (SMGA) de redes de transmissão de energia com base em Unidades de Medição Fasorial (UMFs) ou Phasor Measure units (PMU). Busca-se combinar a alocação ótima de UMFs com o dimensionamento de infraestrutura de comunicações, restringido ao menor custo total do sistema de medição. A Estimação de Estados (EE) é um estágio imperativo do monitoramento de sistemas de potência, da segurança do sistema e dos fluxos adequados de potência. Até recentemente, Unidades Terminais Remotas (UTRs) ou Remote Terminal Units (RTUs) em inglês, eram os principais responsáveis por recolher medidas de fluxos de potência ativa e reativa, injeção de potância ativa e reativa e o módulo da tensão nos barramentos para o sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), que por sua vez fornecia dados para a EE. A introdução de PMUs em 1990 trouxe uma vantagem comparativa pois as medições são sincronizadas pela utilização do GPS (Global Positioning Sistem), o que permite constituir SMGA eficientes no controle e operação. Outra vantagem é a alta amostragem das PMUs conjugada com a estimação de estados, o que assegura controle rápido da tensão, comparado com o sistema de medição convencional (UTR e medidas). Porém, a utilização da tecnologia de PMUs acarreta um custo considerável e, por isso, desde cedo colocou-se o problema de otimizar a alocação destas unidades numa rede de transmissão, sem comprometer a EE. Muitos algoritmos de otimização de alocação de PMUs têm sido propostos, considerando critérios como observabilidade, contingências como perdas de PMU, perdas de linha, medidas críticas e conjuntos críticos. Mas a maioria dos trabalhos foca na simples minimização de PMUs e sua localização. Alguns poucos e recentes trabalhos vêm chamando a atenção para outros custos, como a Infraestrutura de Comunicação (IC), que apresentam um peso maior nos custos de uma SMGA que o de PMUs. Assim, o problema seria formulado de uma forma mais abrangente, buscando otimizar os custos totais, o que significaria otimizar a alocação de PMUs e IC. Este trabalho propõe ser uma contribuição nesta direção, formulando a alocação de PMUs como um problema de Conjunto Dominante Conexo Mínimo, que é um problema bem conhecido na teoria de grafos. Assim, implementa-se uma metodologia através da metaheurística Busca em Vizinhança Variável, combinado com mais dois algoritmos, Dijkstra (menores caminhos) e Kruskal (árvore geradora mínima). Também explora-se várias métricas da teoria dos grafos e propõe-se novas para melhorar o desempenho do algoritmo e incorpora-se ao modelo os aspetos e restrições mais próximos da realidade prática dos SMGA. Adiciona-se também ao algoritmo uma característica escalável, aplicável desde pequenos sistemas até os grandes e complexos.
This work presents a new optimization algorithm for minimum total costs in WAMS (Wide Area Monitoring Systems) based on Phasor Measurement Units (PMUs). This method seeks to combine the optimal allocation of PMUs with communication infrastructure design, restricted to the lowest total cost of measurement system. State Estimation (EE) is a must-stage monitoring of power systems and ensures system security and appropriate power flows. Until recently, Remote Terminal Units (RTUs) were the main responsible for collecting measurements of active and reactive power flows, active and reactive power injection and voltage module in buses to SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) System, which in turn supplies data to EE. The introduction of PMUs in 1990 brought comparative advantage since the measurements are synchronized by use of Global Positioning System (GPS), which allows efficient WAMS be in control and operation. Another advantage is the PMUs high data sampling combined with EE, which ensures quick control voltage compared to conventional measurements. However, using PMUs technology entails a considerable cost and therefore early has set up the Optimal PMU Placement (OPP) problem on transmission network, without compromising EE. Many OPP algorithms have been proposed taking into account criteria such as observability, single contingencies such as single PMU outage cases, single branch failure and measures and critical assemblies. But most focuses on simple minimization of PMUs and its placement. A few recent studies have called attention to other costs such as the Communication Infrastructure, which have greater contribution on monitoring system costs than PMUs. Thus, the problem would be formulated in a more comprehensive manner, seeking to optimize the total costs, which would mean optimize the allocation of PMUs and communications infrastructure. This paper proposes to give more contribution in this approach and presents a new cost optimal method on WAMS, considering the meters and communication costs. It is based on graph theory to model the problem as a problem of determining a Minimum Connected Dominating Set (theory of graphs). Thus, a methodology is implemented through a metaheuristic - VNS (Variable Neigbourhood Search)- combined with two algorithms, Dijkstra (shortest paths) and Kruskal (minimum spanning tree). This paper explores various metrics of graph theory and proposes new ones to boost algorithm performance; and is incorporated to the model aspects and restrictions closer to practical reality of WAMS. Also it adds up a scalable algorithm feature, applicable from small systems to large and complex.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/9551
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