viii seminário de pós-graduação em engenharia elétrica · organização do viii seminário de...
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VIII Seminário de Pós-graduação em
Engenharia Elétrica
Realizado em 03 de outubro de 2018 na Faculdade de Engenharia (FEB)
UNESP – Campus de Bauru
Avenida Engenheiro Luiz Edmundo Carrijo Coube – 14-01
CEP: 17033-360 – Vargem Limpa – Bauru/SP
E-mail: [email protected]
Bauru – São Paulo
http://www4.feb.unesp.br/posgrad_elet/index.php
Anais do VIII Seminário de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica
03 de outubro de 2018
Bauru – São Paulo
VIII Seminário de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (1. :2018: Bauru, SP)
Anais [recurso eletrônico] do VIII Seminário de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica realizado em Bauru, no
ano de 2018: organizado por Paulo Roberto Aguiar,
Fabrício Guimarães Baptista, André Luiz Andreoli e José
Alfredo Covolan Ulson. – Bauru: UNESP/FEB, 2018
195 p.: il.
Disponível em:
http://www2.feb.unesp.br/pos/seminarioEletrica/
index.php
ISSN: 2594-9357
1. Mecatrônica. 2. Sistemas de Energia. I. Aguiar, Paulo
Roberto. II. Baptista, Fabrício Guimarães. III. Andreoli,
André Luiz. IV. Ulson, José Alfredo Covolan. V. Título.
Mensagem da Comissão Organizadora do Seminário
O “VIII Seminário da Pós-Graduação em Engenharia Elétrica” é um evento promovido pelo Programa de Pós-
graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da UNESP – Campus de Bauru. Tem por objetivo integrar os alunos
e apresentar os trabalhos de pesquisa, dissertação e tese desenvolvidos pelos alunos e docentes do programa,
possibilitando um fórum de discussão e avaliação das pesquisas.
Em sua oitava edição, o Seminário foi realizado no dia 03 de outubro de 2018, na Faculdade de Engenharia (FEB)
da Universidade Estadual Paulista – UNESP, campus de Bauru. Na abertura do evento, o Seminário contou com
a palestra proferida pelo Professor Doutor Paulo Roberto Noronha Lisboa Filho do Departamento Física da
Faculdade de Ciências de Bauru – FC, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP.
Também, durante o evento, os participantes tiveram a oportunidade de participar de minicursos. O primeiro
minicurso foi ministrado pelo Professor Doutor Rogério Andrade Flauzino, da Escola de Engenharia de São Carlos
– EESC, Universidade de São Paulo – USP, intitulado “Deep Learning”. O segundo minicurso ofertado foi
ministrado pelo Professor Doutor Danilo Hernani Spatti, do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação
– ICMC, Universidade de São Paulo – USP, intitulado “Desenvolvimento Tecnológico, Inovação e Saúde: Novas
Perspectivas para Sistemas Inteligentes”.
A participação dos alunos nas apresentações teve como foco mostrar os resultados e avanços nos seus trabalhos
de mestrado e doutorado. No entanto, os alunos que ingressaram no primeiro semestre de 2018 apresentaram
apenas o resumo de seus Projetos de Pesquisa por meio de pôsteres, e os alunos que ingressaram antes de 2018
fizeram apresentações orais do desenvolvimento de seus trabalhos. Tanto a apresentação de pôsteres quanto a
apresentação oral foram obrigatórias apenas para alunos bolsistas do programa.
Os alunos que fizeram apresentações orais encaminharam o resumo expandido de seus trabalhos. Os demais alunos
(ingressantes no primeiro semestre de 2018) encaminharam o resumo e o pôster. Também ficou aberta a
possibilidade dos alunos recém-ingressantes (segundo semestre de 2018) submeterem resumo, mas foi opcional.
Todos os resumos e pôsteres foram revisados por pesquisadores da FEB, os quais emitiram parecer para correção
e aprimoramento dos mesmos. Durante as apresentações orais e por pôsteres, houve a avaliação por docentes do
Programa. Certificados foram emitidos para as melhores apresentações.
A participação dos docentes do Programa também foi de extrema importância, pois mostra o grau de interesse e
compromisso pelo Programa e Seminário, bem como proporciona incentivo aos seus alunos a participarem das
palestras e das apresentações de seus colegas.
A Comissão Organizadora do Seminário agradece o apoio fornecido pela FEB – UNESP-Bauru, bem como a Pró-
Reitoria de Pós-Graduação – PROPG - da UNESP pelo apoio financeiro concedido por meio de edital para esse
fim. A Comissão também agradece a Seção de Pós-Graduação da FEB, pelo apoio imprescindível para a realização
deste importante evento. Por fim, a Comissão não poderia de esquecer de agradecer os docentes e discentes do
Programa, pela participação e compartilhamento das suas contribuições científicas para o desenvolvimento da
ciência e tecnologia do nosso país, bem como para o fortalecimento do PPGEE.
A Comissão Organizadora
Organização do VIII Seminário de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia
(FEB), Universidade Estadual Paulista – UNESP, Campus de Bauru
Comissão Organizadora – Corpo Editorial
Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar
Coordenador do Programa
Prof. Dr. Fabricio Guimarães Baptista
Vice-Coordenador do Programa
Prof. Dr. André Luiz Andreoli
Membro do Conselho
Prof. Dr. José Alfredo Covolan Ulson
Membro do Conselho
Equipe de Apoio
Alessandra Karine dos Santos Contador
Supervisora da Seção Técnica de Pós-graduação
Célia Cristina do Espirito Santo Graminha
Assistente Administrativo
Gustavo de Oliveira Rodrigues
Assistente Administrativo
Larissa Marques
Assistente Administrativo
Bruno Albuquerque de Castro
Aluno de Doutorado
Christielly Fernandes da Costa
Aluna de Mestrado
Danilo Ecidir Budoya
Aluno de Doutorado
Felipe Aparecido Alexandre
Aluno de Doutorado
Marco Aurélio Rocha
Aluno de Doutorado
Martin Antônio Aulestia Vieira
Aluno de Mestrado
Wallace Gabriel de Souza
Aluno de Doutorado
Wenderson Nascimento Lopes
Aluno de Doutorado
Corpo de Revisores
Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. André Cristovão Pio Martins
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. André Luiz Andreoli
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. MSc. Antônio Damazo
IFSP – Campus Birigui
Prof. Dr. Atila Madureira Bueno
UNESP – Instituto de Ciência e Tecnologia – Engenharia de Controle e Automação
Prof. Dr. Bento Rodrigues de Pontes Junior
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Mecânica
Profa. Dra. Edilaine Martins Soler
UNESP – Faculdade de Ciências – Departamento de Matemática
Profa. Dra. Edméa Cássia Baptista
UNESP – Faculdade de Ciências – Departamento de Matemática
Prof. Dr. Eduardo Carlos Bianchi
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Mecânica
Prof. Dr. Eduardo Paciencia Godoy
UNESP – Instituto de Ciência e Tecnologia – Engenharia de Controle e Automação
Prof. Dr. Fabricio Guimarães Baptista
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Fernando de Souza Campos
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
UNESP – Instituto de Ciência e Tecnologia – Engenharia de Controle e Automação
Prof. Dr. Flavio Alessandro Serrão Gonçalves
UNESP – Instituto de Ciência e Tecnologia – Engenharia de Controle e Automação
Prof. Dr. Helmo Kelis Morales Paredes
UNESP – Instituto de Ciência e Tecnologia – Engenharia de Controle e Automação
Prof. Dr. José Alfredo Covolan Ulson
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. José Ângelo Cagnon
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. José Eduardo Cogo Castanho
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. José Renato Castro Pompéia Fraga
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Luiz Gonçalves Junior
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Marcelo Nicoletti Franchin
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Mário Eduardo Bordon
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Paulo José Amaral Serni
UNESP – Instituto de Ciência e Tecnologia – Engenharia de Controle e Automação
Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Paulo Sergio da Silva
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Pedro da Costa Junior
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
Prof. Dr. Rosemar Batista da Silva
UFU – Faculdade de Engenharia Mecânica
Prof. Dr. Rudolf Ribeiro Riehl
UNESP – Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Elétrica
PROGRAMAÇÃO
CREDENCIAMENTO – 8h00
ABERTURA – 8h15
PALESTRA – 8h30 às 9h30
Prof. Dr. Paulo Noronha Lisboa Filho
Departamento de Física
Faculdade de Ciência de Bauru
Universidade Estadual Paulista (UNESP)
COFFEE BREAK E APRESENTAÇÃO DE PÔSTER – 9h30 às 10h
APRESENTAÇÃO ORAL (discentes) – 10h às 12h
ALMOÇO – 12h às 13h30h
MINICURSO I – 13h30 às 15h30
“Deep Learning”
Prof. Dr. Rogério Andrade Flauzino
Escola de Engenharia de São Carlos (EESC)
Universidade de São Paulo (USP)
COFFEE BREAK – 15h30 às 16h
MINICURSO II – 16h às 18h
“Desenvolvimento Tecnológico, Inovação e Saúde:
Novas Perspectivas para Sistemas Inteligentes”
Prof. Dr. Danilo Hernani Spatti
Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC)
Universidade de São Paulo (USP)
Anais do VIII Seminário de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica
MECATRÔNICA ..................................................................................................................... 1
INVERSÃO DINÂMICA DE SISTEMAS PARA DETECÇÃO DE FALHAS EM
CIRCUITOS LINEARES RLC SÉRIE .............................................................................. 2
CONTROLE DE VIBRAÇÃO EM ESTRUTURA FLEXÍVEL UTILIZANDO MODOS
NORMAIS NÃO LINEARES ............................................................................................ 5
SISTEMAS DE MONITORAMENTO ESTRUTURAL BASEADOS NA
IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA EM APLICAÇÕES RUIDOSAS ........................ 8
LEVITAÇÃO ACÚSTICA .............................................................................................. 11
AVALIAÇÃO DA PERTURBAÇÃO DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
NA ÁREA DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEM EM INSTALAÇÕES
HOSPITALARES ............................................................................................................. 14
DINÂMICA E CONTROLE NÃO-LINEARES DA MICROSCOPIA DE FORÇA
ATÔMICA (AFM), INCLUINDO-SE TERMOS DE ORDEM FRACIONÁRIA .......... 17
ESTUDO DO POTENCIAL DE COLHEITA DE ENERGIA PARA MEDIÇÃO DE
VAZÃO EM APLICAÇÕES DE IOT ............................................................................. 20
ESTUDO DA SIMULAÇÃO DA OPERAÇÃO E CONTROLE DAS POTÊNCIAS
ATIVAS DE DOIS GERADORES COM COMUNICAÇÃO SEM FIO ........................ 22
DETECÇÃO DO FENÔMENO DA QUEIMA NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
PLANA POR MEIO DO CRITÉRIO DE HINKLEY...................................................... 25
TÉCNICA DE DIAGNÓSTICO DE DANOS DE PEÇAS METÁLICAS DURANTE O
PROCESSO DE RETIFICAÇÃO BASEADA EM IMAGENS ACÚSTICAS ............... 28
MONITORAMENTO DA CONDIÇÃO DA FERRAMENTA DE DRESSAGEM
USANDO IMPEDANCIA ELETROMECANICA .......................................................... 31
IDENTIFICAÇÃO DE ADULTERAÇÃO DE LEITE BOVINO PELO MÉTODO DA
PROPAGAÇÃO DE ONDAS MECÂNICAS UTILIZANDO CÁPSULA
PIEZOELÉTRICA ........................................................................................................... 34
PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS APLICADO NO MONITORAMENTO
DA VIBRAÇÃO AUTO-EXCITADA – CHATTER ...................................................... 37
IDENTIFICAÇÃO DE DANOS SUPERFICIAIS EM PEÇAS RETIFICADAS PELO
MÉTODO DA IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA .................................................. 40
ARQUITETURA ORIENTADA A MICROSERVIÇOS PARA APLICAÇÕES DE
INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL ..................................................................... 43
UTILIZAÇÃO DE REDES NEURAIS CONVOLUCIONAIS PARA A DETECÇÃO E
CLASSIFICAÇÃO DE PLANTAS DANINHAS ............................................................ 46
MONITORAMENTO DA PRODUÇÃO E DA EFICIÊNCIA DE PROCESSOS DE
MANUFATURA USANDO RFID E INTERNET DAS COISAS .................................. 49
UM MODELO PARA A APLICAÇÃO DA INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL
.......................................................................................................................................... 51
APLICAÇÃO DO LQR NO CONTROLE DE POSIÇÃO DE UM ESTRUTURA
FLEXÍVEL GIRANTE .................................................................................................... 54
ANALISE DINÂMICA DE UM SISTEMA MICRO CANTILEVER ........................... 58
DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO HIPERCAÓTICO ................................... 61
CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES PZTs DE BAIXO CUSTO PARA
APLICAÇÕES DE ENERGY HARVESTING .................................................................. 64
DESENVOLVIMENTO DE CO-MODELOS DE SIMULAÇÃO DE PLANTAS E
CONTROLADORES COM COMUNICAÇÃO VIA OPC ............................................. 67
SISTEMAS DE ENERGIA .................................................................................................... 70
ENVOLVIMENTO DE UM GERADOR HIDRELÉTRICO NOS MERCADOS DO
DIA SEGUINTE, REGULAÇÃO E AJUSTES ............................................................... 71
ESTUDO DE COMPORTAMENTO DE AEROGERADOR FRENTE A DISTÚRBIOS
DE TENSÃO COM INJEÇÃO DE CORRENTE REATIVA DURANTE FALTA ....... 74
MODELO DE PLANEJAMENTO DA AQUISIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A
MÉDIO PRAZO EM MERCADOS DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS .................... 77
OTIMIZAÇÃO DA OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARA
MINIMIZAÇÃO DOS CUSTOS COM ENERGIA ELÉTRICA .................................... 80
MODELO DE OTIMIZAÇÃO MULTIOBJETIVO DE MINIMIZAÇÃO DE CUSTO E
EMISSÃO CONSIDERANDO FONTES DE ENERGIA EÓLICA E TÉRMICA ......... 83
ANÁLISE DE ALGORITMOS DE APRENDIZADO DE MÁQUINAS COM USO DA
MATRIZ DE CONFUSÃO NO DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES ........... 86
MODELAMENTO DE CICLO DE VIDA PARA TRANSFORMADORES DE
POTÊNCIA EMPREGANDO TEORIA DE POTÊNCIA CONSERVATIVA ............... 89
PROJETO DE UM INVERSOR MULTIFUNCIONAL PARA COMPENSAÇÃO DE
OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA INSTANTÂNEA ......................................................... 92
UM SISTEMA DE COLHEITA DE ENERGIA VIA MÉTODO DE CARDANO
TARTAGLIA ................................................................................................................... 95
TÉCNICA DE DETECÇÃO DE CORRENTE NULA PARA APLICAÇÕES EM
CONVERSORES BOOST OPERANDO EM MODO DE CONDUÇÃO CRÍTICA ..... 99
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS MULTIOBJETIVO DE DESPACHO ECONÔMICO
E AMBIENTAL EXPLORANDO MÉTODOS DE PROGRAMAÇÃO POR METAS.
........................................................................................................................................ 102
METODOLOGIA PARA DESAGREGAÇÃO DE CARGAS EM INSTALAÇÕES
RESIDENCIAIS ATRAVÉS DE MEDIDORES COGNITIVOS DE ENERGIA ........ 105
MODELO DE COORDENAÇÃO ESTOCÁSTICA EM DOIS ESTÁGIOS PARA
MERCADOS POOL DE ELETRICIDADE DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS ...... 108
DIFERENÇAS NO CUSTO DO PROBLEMA MULTIOBJETIVO DE DESPACHO
COM E SEM OS PONTOS DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA ........................ 111
REFORMULAÇÃO DAS RESTRIÇÕES DE COMPLEMENTARIDADE EM
PROBLEMAS DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO ................................ 117
MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DA CURVA COTA-PREÇO APLICADA AO
MODELO DE AUTOPRODUÇÃO PARA PROBLEMAS DE LEILÃO DE ENERGIA
........................................................................................................................................ 120
EMULADOR DE TURBINA EÓLICA USANDO MOTOR DE INDUÇÃO
ACIONADO POR INVERSOR DE FREQUÊNCIA E CONTROLE DE HARDWARE
NA MALHA ................................................................................................................... 123
UM MÉTODO HÍBRIDO DE PONTOS INTERIORES E PSO E SUA EFICIÊNCIA
NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO .............. 126
DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA GESTÃO DA DEMANDA ATRAVÉS
DE GERENCIAMENTO INTELIGENTE DE ENERGIA E USINAS VIRTUAIS ..... 129
CARACTERIZAÇÃO DE CARGAS NÃO-LINEARES EM CIRCUITOS
TRIFÁSICOS A 3 E 4 CONDUTORES ........................................................................ 132
UTILIZAÇÃO DE SENSORES PIEZELÉTICOS EM TRANSFORMADORES DE
POTÊNCIA PARA LOCALIZAÇÃO DE FALHAS INCIPIENTES ........................... 135
RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO POR
MEIO DA MINIMIZAÇÃO DO GAP DE INTEGRALIDADE ................................... 138
DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR TIPO FONTE Z APLICADO EM KIT
DIDÁTICO PARA ESTUDOS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ............... 141
INVESTIGAÇÃO DO MÉTODO DE PONTO INTERIOR E PENALIDADE E
PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM VARIÁVEIS DISCRETAS
........................................................................................................................................ 144
MODELOS DE OTIMIZAÇÃO PARA PLANTIO E COLHEITA DE CANA-DE-
AÇÚCAR E CANA-ENERGIA CONSIDERANDO-SE GRAUS-DIA ....................... 146
ESTUDOS E PLANEJAMENTO ESTRATÉGICO PARA PRECIFICAÇÃO DO
CUSTO DA ENERGIA EM DIVERSOS CENÁRIOS NO SETOR DE ENERGIA
BRASILEIRO ................................................................................................................. 149
SISTEMAS DE RECOMENDAÇÃO EM SMART HOME COM FOCO EM
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ........................................................................................ 151
ABORDAGENS DE SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA
ÓTIMO REATIVO COM VARIÁVEIS DISCRETAS E LIMITE NO NÚMERO DE
CONTROLES ................................................................................................................. 154
APLICAÇÃO DE UMA FUNÇÃO PENALIDADE ..................................................... 157
POLINOMIAL TRIGONOMÉTRICA NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE ....... 157
FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO ............................................................... 157
O PROBLEMA DE MÁXIMO CARREGAMENTO BASEADO NO FATOR DE
POTÊNCIA COM VARIÁVEIS CONTÍNUAS E DISCRETAS ................................. 160
RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM PONTO
DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA E RESTRIÇÕES DE SEGURANÇA .......... 164
RESUMOS RELATIVOS ÀS APRESENTAÇÕES POR POSTÊRES .......................... 169
CONTROLE DE SISTEMAS DINÂMICOS NÃO-LINEARES COM COEFICIENTES
PERIÓDICOS PELA ANÁLISE DE SINHA E MÉTODO DE BIFURCAÇÕES ....... 170
METODOLOGIA DE CONTROLE COOPERATIVO DE GERADORES
DISTRIBUÍDOS COM MÚLTIPLAS CONSIDERAÇÕES DE OPERAÇÃO ............ 171
BOAS PRÁTICAS DOS PROGRAMAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA MUNDIAIS
APLICADAS AO BRASIL ............................................................................................ 172
DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO E PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS NA
ESTIMAÇÃO DA RUGOSIDADE DE COMPONENTES CERÂMICOS NO
PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA .................................................................... 173
UMA NOVA TÉCNICA PARA A DETECÇÃO DE DANOS EM PEÇAS DE AÇO
ABNT 4340 NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA BASEADA EM SINAIS
ULTRASSÔNICOS GERADOS POR TRANSDUTOR PIEZELÉTRICO .................. 174
PROBLEMAS DE QUALIDADE DE ENERGIA EM PLATAFORMAS DE
PETRÓLEO E SOLUÇÕES BASEADAS EM ALGORITMOS COMPUTACIONAIS
DE APRENDIZAGEM .................................................................................................. 175
CONTROLE DE ESTABILIZAÇÃO DE VOO DE VANTS QUADRIRROTORES:
MODELAGEM, CONTROLE, SIMULAÇÃO E PROTOTIPAGEM .......................... 176
SISTEMA MEDIDOR DE SINAIS DE FORÇA COM DINÂMICA RÁPIDA
UTILIZANDO DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO DE BAIXO CUSTO ........................ 177
IDENTIFICAÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA EM FUNCIONAMENTO .......................... 178
ESTUDO DE TÉCNICAS DE CONTROLE PARA ESTABILIDADE DE SISTEMAS
EÓLICOS COM GERADOR DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADO ....... 179
EVOLUÇÃO INSTITUCIONAL DE QUALIDADE NO SETOR ELÉTRICO
BRASILEIRO ................................................................................................................. 180
MODELO PARA INDICAÇÃO DE ESCOLHA DE IMPLANTAÇÃO DE FONTE DE
ENERGIA RENOVÁVEL PARA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ................................... 181
MODELO MATEMÁTICO PARA OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE
ABASTECIMENTO DE ÁGUA ................................................................................... 182
METODOLOGIA PARA VIRTUALIZAÇÃO DE SISTEMAS INDUSTRIAIS COM
FOCO NA INDÚSTRIA 4.0 .......................................................................................... 183
DESAGREGAÇÃO DE CARGAS E LUDIFICAÇÃO COMO FERRAMENTAS DE
CONSCIENTIZAÇÃO SOBRE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA .................. 184
ÍNDICE DE AUTORES ....................................................................................................... 185
PROMOÇÃO, APOIO E SUPORTE TÉCNICO .............................................................. 186
1
MECATRÔNICA
2
INVERSÃO DINÂMICA DE SISTEMAS PARA DETECÇÃO DE FALHAS EM
CIRCUITOS LINEARES RLC SÉRIE
Guilherme Augusto Marabezzi Clerice
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. José Alfredo Covolan Ulson
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo Sérgio da Silva
Coorientador I – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Dr. Rui Manuel Esteves Araújo
Coorientador II – Depto. de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores – Feup – Porto
RESUMO
O presente trabalho abordou a inversão esquerda de sistemas dinâmicos aplicada para a
detecção de falhas em circuitos elétricos. Nesse caso, um circuito composto por resistor, indutor
e capacitor em série foi simulado em ambiente Matlab/Simulink/SimPowerSystems, onde
degradações no indutor e no capacitor foram analisadas, assim, esse trabalho teve o propósito
de destacar a aplicabilidade do método de inversão de sistemas. Desta forma, foi possível
concluir que ao aplicar o método da inversão de sistemas dinâmicos, a sensibilidade às
variações dos parâmetros dos componentes é maior que o método do observador de estados.
PALAVRAS-CHAVE: Detecção de falhas. Circuitos lineares. Modelo esquerdo inverso.
1 INTRODUÇÃO
No atual cenário, onde os sistemas que compõem o setor elétrico estão cada vez mais
complexos, alguns deles: geração, transmissão, distribuição e o uso industrial, aumenta a
necessidade de garantir um bom desempenho do funcionamento de todos os componentes
utilizados, pois a má operação de um dispositivo pode levar a interrupção do fornecimento de
energia elétrica ou parada não programada de um processo industrial, que resulta em sérios
prejuízos (Zho et al, 2016).
Para garantir o funcionamento adequado desses dispositivos, nas últimas décadas
pesquisadores utilizam diversos métodos de detecção de falhas, extraídos e adaptados da área
da engenharia aeroespacial onde acompanhar uma evolução temporal de uma possível falha é
de suma importância.
A detecção de falhas necessita de um maior número de sensores, pois é importante obter
a máxima informação de operação do equipamento a ser analisado, entretanto, os custos de
implementação ou a inviabilidade técnica no uso de diversos sensores faz com que dificulte a
aplicação da detecção de falhas em diversos equipamentos.
Dado o problema acima, nos últimos anos vêm crescendo pesquisas na área de detecção
de falhas (DF) baseada em modelos, com isso, se torna necessário apenas uma fração desses
sensores, pois os sinais oriundos deles são inseridos no modelo matemático do dispositivo a ser
analisado. Assim, o modelo é embarcado num sistema microcontrolado que por sua vez, infere
os outros sinais restantes e verifica a existência de falha no equipamento.
3
Esse trabalho utilizou o método de inversão esquerda proposta por (SAIN; MASSEY,
1969) por apresentar maior sensibilidade a detecção de falhas e demonstrar que a inversão de
sistemas dinâmicos é uma ferramenta que pode ser utilizada em detecção de falhas em
dispositivos elétricos.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Segundo (SAIN; MASSEY, 1969), um sistema inverso pode ser entendido como um
segundo sistema dinâmico linear e invariante no tempo, inserido em série com o sistema
original, constrói em sua saída o sinal de entrada original apresentado na Equação 1.
Há também o método de inversão de sistemas dinâmicos proposto por (MOYLAN, P., 1977),
que é um método iterativo de construção do sinal de entrada (Equação 2), portanto, ele concluiu
que a saída do sistema é nula quando as condições iniciais forem nulas. Esta foi a mesma
conclusão da prova usada por Sain e Massey em 1969. Conforme demonstrado por
(PINHEIRO, 2013) em algumas aplicações o vetor de estado não está disponível para medição
direta. Desta forma, por meio da entrada (estimador de estado) e da saída (inversão de sistema)
de um sistema é possível estimar o seu vetor de estado, consequentemente, estimar a variável
que antes necessitaria de um sensor.
(1)
Sendo G(s) é a função de transferência do sistema e GL(s) a função de transferência inversa do
sistema e Im é a matriz identidade de dimensão m.
(2)
λi com i=1,...,k, sendo λ a diferença de posto que satisfaça a existência da inversa de S e os
valores de A, B, C e D são obtidos por meio da modelagem por espaço de estados.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Um circuito RLC (resistor, indutor e capacitor) série foi desenvolvido em ambiente
MATLAB/SIMULINK, utilizando o toolbox simpowersystem para simulação do dispositivo.
Após a montagem do circuito elétrico o modelo inverso esquerdo foi inserido em forma de
diagrama de blocos. Para inserir as falhas multiplicativas, foi alterada a indutância e
capacitância dos componentes a serem analisados.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste contexto, a inversa de um sistema dinâmico apresentou sensibilidade a detecção
de falhas em componentes passivos como indutor e capacitor, sendo encontrados nos circuitos
lineares e assim podendo expandir a aplicação do método exposto por esse trabalho em
máquinas elétricas e em circuitos equivalentes de linhas de transmissão e distribuição.
O trabalho teve como principal objetivo apresentar a ferramenta de inversão dinâmica
de sistemas, para aplicação em detecção de falhas em circuitos lineares e difundir a importância
4
de tal ferramenta matemática. Cabe destacar que a inversão de sistemas dinâmicos tem grande
potencial para aplicações, hoje conhecidas como sensorless.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LUENBERGER, David G.. An Introduction to Observers. IEEE Transactions On Automatic
Control, v. 16, n. 6, p.596-602, dez. 1971.
MOYLAN, P. Stable Inversion of Linear Systems. IEEE Transactions on Automatic Control,
v. 22, n. 1, p. 74-78, 1977.
PINHEIRO, VITOR G. V. Metodologia de Diagnóstico Automático de Falhas em Conversores
de Potência, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) -dissertação de
mestrado, set, 2013.
SAIN, M.; MASSEY, J.. Invertibility of Linear Time-Invariant Dynamical Systems. IEEE
Transactions On Automatic Control, v. 14, n. 2, p. 141-149, abr. 1969.
ZHOU, D; ZHAO, J; LIU, Y.. Independent Control Scheme for Nonredundant Two-Leg Fault-
Tolerant Back-to-Back Converter-Fed Induction Motor Drives. IEEE Transactions on
Industrial Electronics, v. 63, n. 11, p .6790-6800, nov. 2016.
5
CONTROLE DE VIBRAÇÃO EM ESTRUTURA FLEXÍVEL UTILIZANDO
MODOS NORMAIS NÃO LINEARES
Daniel Celso Daltin
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Átila Madureira Bueno
Orientador – Depto. de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. José Manoel Balthazar
Coorientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
O estudo e aplicação de técnicas de análise e controle de sistemas não lineares objetiva melhorar
o desempenho dinâmico desses sistemas, assim esta pesquisa propõe o estudo de sistema de
controle para sistemas rotacionais flexíveis, utilizando os conceitos de Modos Normais Não
Lineares de vibração, e respectivamente o controle das vibrações, buscando realizar o
detalhamento do comportamento dinâmico, identificando os impactos na estrutura flexível. A
metodologia utilizada se baseia no desenvolvimento de modelo matemático a parâmetros
distribuídos, como o modelo de viga de Euler-Bernoulli, e na técnica de Modos Normais Não
Lineares, o que para sistemas com muitos graus de liberdade, pode permitir uma redução de
ordem, diminuindo, com isso, o esforço para a análise do comportamento do sistema dinâmico
e o projeto dos controladores e observadores de estados, além de permitir a inclusão de
fenômenos dissipativos (como atritos) na obtenção dos modos de vibração.
PALAVRAS-CHAVE: Controle de vibração, Estruturas flexíveis, Modos Normais Não
Lineares.
1 INTRODUÇÃO
As vibrações em estruturas flexíveis são problemas que devem ser controlados ou
minimizados para dar maior estabilidade e robustez aos sistemas. Logo, o estudo de técnicas de
controle tem aplicações em diversas áreas da Engenharia, tais como, Engenharia Elétrica,
Engenharia Aeroespacial, Robótica e até mesmo em Sistemas Micro e Nano eletromecânicos
(JUNKINS, 1993; ABDEL-RAHMAN et al, 2003; BHUSAN, 2004; MORITA, 2009).
A técnica de Modos Normais Não Lineares (MNNL), apresentada inicialmente por
Rosenberg (1961, 1962, 1966) é considerada como uma extensão dos modos lineares de
vibração, e tem se mostrado uma ferramenta importante para a análise de vibrações não lineares.
Este trabalho tem por objetivo desenvolver modelo matemático para sistemas
rotacionais com vigas flexíveis delgadas, considerando os Modos Normais Não Lineares. Além
disso, pretende-se, estudar o comportamento do modelo matemático obtido, validando-o
experimentalmente.
2 REVISÃO DA LITERATURA
O método dos MNNL foi inspirado a partir da Teoria da variedade central utilizada para
análise de bifurcações (GUCKENHEIMER e HOLMES, 1983; MONTEIRO, 2002).
A teoria da variedade central permite a obtenção de equações diferenciais que
descrevem o comportamento dinâmico em torno de um ponto de bifurcação sobre a variedade
6
invariante (usualmente uma hipersuperfície). No contexto de MNNL, cujos sistemas
oscilatórios são representados por hiperplanos no espaço de estados, seus componentes não
lineares são descritos utilizando ideias similares. Assim, as variedades invariantes não lineares
são tangentes aos hiperplanos modais lineares no ponto de operação (SHAW e PIERRE, 1991).
Em estruturas nas quais as não linearidades exercem uma influência significativa no
sistema dinâmico, existem diversas possibilidades de análise numérica para avaliar a
estabilidade do sistema, tais como: plano de fase, mapa de Poincaré, diagrama de Bifurcação,
FFT (Fast Fourier Transform), expoentes de Lyapunov, etc. (PARKER e CHUA, 2012;
WILLIAMS, 1997; WOLF et al, 1985).
3 MATERIAL E MÉTODOS
O equipamento utilizado nessa pesquisa será o sistema Rotary Flexible Link, conforme
apresentado na Figura 1, utilizado para realizar os testes experimentais, assim como o software
MATLAB® / SIMULINK® e LabVIEW® para realizar os cálculos e os gráficos resultantes do
experimento, para posterior análise dos dados do modelo matemático com os ensaios
experimentais para o controle de vibrações em estruturas flexíveis com interface em tempo real
usando o software QUARC®. A pesquisa será desenvolvida no laboratório do Instituto de
Ciência e Tecnologia de Sorocaba (ICTS-UNESP). A metodologia utilizada basear-se-á no
desenvolvimento de modelo matemático utilizando MNNL.
Figura 1: Rotary Flexible Link.
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A fundamentação teórica terá como subsídios os conceitos de controle de vibração e as
equações do movimento, assim como, os fundamentos dos Modos Normais Não Lineares.
O propósito da modelagem matemática é representar aspectos importantes do sistema
com objetivo de obter as equações que governam o comportamento do sistema de modo que se
possa estudar tanto qualitativamente como quantitativamente o comportamento. Além disso,
com a teoria de controle, podem-se projetar controladores de modo a atender critérios de
desempenho.
Para proceder à formulação dos Modos Normais Não Lineares de vibração para uma
viga não linear, é necessário encontrar suas matrizes de rigidez, de amortecimento e de massa,
aplica-se a equação generalizada de Lagrange para sistema com n graus de liberdade
(SANCHES, 2009).
7
4 CONCLUSÕES
Espera-se que o modelo matemático de estruturas flexíveis, possa atenuar as vibrações
através das técnicas dos Modos Normais Não Lineares (MNNL), na aplicação nos sistemas
rotacionais com vigas flexíveis delgadas, além de permitir a observação do comportamento
dinâmico das estruturas e o controle na viga flexível.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABDEL-RAHMAN, E. M. NAYFEH, A. H. e MASOUD, Z. N. Dynamics and control of
cranes: A review, Journal of Vibration and Control, v. 9, n.7, p. 863-908, 2003.
BHUSAN, B. Springer handbook of nanotechnology, Heidelberg7 Springer-Verlag, 2004.
GUCKENHEIMER, J. ; HOLMES, P. Nonlinear Oscillations, Dynamical Systems, and
Bifurcations of Vector Fields, Applied Mathematical Sciences. Springer, 2 ed., v. 42 1983.
JUNKINS, J.L. ; KIM, Y. Introduction to dynamics and control of flexible structures.
AIAA, 1993.
MONTEIRO, L. H. A. Sistemas Dinâmicos, v 1. Editora Livraria da Física, 2002.
MORITA, S. Noncontact Atomic Force Microscopy 2. Springer-Verlag GmbH, 2009.
PARKER, T. S. ; CHUA, L. Practical numerical algorithms for chaotic systems. Springer
Science & Business Media, 2012.
ROSENBERG, R. M. On nonlinear vibrations of systems with many degrees of freedom,
Journal advances in applied mechanics, v. 9, p. 155-242, 1966.
ROSENBERG, R. M. On normal vibrations of a general class of nonlinear dual-mode systems,
Journal advances applied mechanics, v. 28, p. 275, 1961.
ROSENBERG, R. M. The normal modes of nonlinear n-degree-of-freedom systems, Journal
advances applied Mechanics, v. 29, n.1, p. 7-14, 1962.
SANCHES, C. T. Modos não-lineares de vibração e controle ativo de risers. 2009. 170 p.
Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São
Paulo, 2009.
SHAW, S. e PIERRE, C. Non-linear normal modes and invariant manifolds, Journal of sound
and Vibration, v. 150, n. 1, p. 170-173, 1991.
WILLIAMS, G. P. Chaos theory tamed. Joseph Henry Press, 1997.
WOLF, A. , SWIFT, J. B. , SWINNEY, H. L. , VASTANO, J. A. Determining lyapunov
exponents from a time series, Physica 16 D: Nonlinear Phenomena, v. 16, n.3, p. 285-317,
1985.
8
SISTEMAS DE MONITORAMENTO ESTRUTURAL BASEADOS NA IMPEDÂNCIA
ELETROMECÂNICA EM APLICAÇÕES RUIDOSAS
Bruno Albuquerque de Castro
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Fabricio Guimarães Baptista
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Dentre as várias técnicas existentes para a detecção de dano estrutural, a técnica da impedância
eletromecânica (E/M) se destaca por possuir uma metodologia simples e por utilizar
transdutores piezelétricos de baixo custo. Tipicamente, existem duas abordagens para o
diagnóstico de falhas via E/M. A primeira delas, também chamada de abordagem convencional,
se vale de medições de impedância de um único sensor piezelétrico instalado em uma estrutura
hospedeira. A segunda, que se baseia na extração da Função Resposta em Frequência (FRF),
utiliza dois transdutores piezelétricos para a detecção de dano, sendo um configurado como
sensor e, o outro, como atuador. Embora sejam efetivas no diagnóstico de falhas estruturais, a
incidência de ruído na estrutura pode corromper as inspeções e, deste modo, limitar o uso de
ambas análises. Tomando como base essa problemática, este trabalho apresenta uma análise
experimental e comparativa dos efeitos do ruído em ambas metodologias E/M.
PALAVRAS-CHAVE: Impedância Eletromecânica, SHM, FRF, Ruído Estrutural.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente os sistemas de monitoramento de integridade estrutural, conhecidos como
sistemas de SHM (Structural Health Monitoring), tem como objetivo garantir um elevado grau
de desempenho e segurança estrutural nos campos relacionados a engenharia civil, mecânica,
naval e aeroespacial. Uma das técnicas mais promissoras em SHM é a técnica da impedância
eletromecânica (E/M), que se vale do uso de transdutores piezelétricos de baixo custo.
Tipicamente, existem duas abordagens para o diagnóstico de falhas via E/M. A primeira delas,
também chamada de abordagem convencional, se vale de medições de impedância de um único
sensor piezelétrico instalado em uma estrutura hospedeira, para a realização do diagnóstico de
falhas. A segunda, que se baseia na extração da Função Resposta em Frequência (FRF), utiliza
dois transdutores piezelétricos para a detecção de dano, sendo um configurado como sensor e,
o outro, como atuador (SILVEIRA; CAMPEIRO; BATISTA, 2017). Embora ambas técnicas
sejam efetivas no diagnóstico de avarias, suas aplicações se tornam limitadas em ambientes
cujos níveis de ruído ou de vibração estrutural são significativos (TAKAHASHI, 2016).
Tomando como base essa problemática, o objetivo deste estudo é comparar o efeito do ruído
em ambas metodologias em estruturas de alumínio.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O princípio da técnica da impedância eletromecânica é baseado no efeito piezelétrico,
que estabelece um acoplamento eletromecânico entre o transdutor e a estrutura a ser analisada.
Na técnica convencional o transdutor opera tanto como um sensor quanto como um atuador e
a impedância elétrica do transdutor tem relação direta com a impedância mecânica da estrutura.
Sendo assim, uma mudança na impedância mecânica por uma determinada avaria, produz
9
mudanças na curva de impedância elétrica do sensor. Com relação à análise via FRF, o
diagnóstico estrutural se dá pela relação entre o sinal de excitação ( ( ))x t e resposta ( ( ))y t de
dois transdutores distintos, cada um operando, separadamente, como atuador e sensor. Ilustra-
se na Figura 1 ambas abordagens.
Figura 1: Metodologia convencional baseada na impedância (a) e FRF (b)
Como ilustrado na Figura 1 (a), a medição de impedância ocorre por um divisor resistivo
formado pelo resistor Rs e a impedância elétrica do transdutor ( )EZ . Já para a metodologia
baseada na função resposta em frequência (Figura 1 (b)), o diagnóstico de danos se dá pelo
cálculo do estimador espectral conforme Equação 1:
( )
( )( )
xy
xx
SH
S
Sendo ( )H o estimador espectral, ( )xyS o espectro de potência cruzado dos sinais de
excitação ( ( ))x t e de resposta ( ( ))y t e ( )xxS o auto espectro de potência do sinal de excitação.
Em ambos os casos, tanto a impedância como a FRF são calculadas para uma
determinada faixa de frequência. Tomando como referência a assinatura característica de ambas
metodologias para a estrutura em condição íntegra, a mudança destas curvas pode ser um
indicativo de dano estrutural.
3 METODOLOGIA
O sistema de medição utilizado nesta pesquisa foi proposto por Baptista e Vieira Filho
(2009). Para a análise convencional, um diafragma piezelétrico foi acoplado a uma chapa
alumínio de dimensões 300 x 500 x 1,00 mm por meio de uma cola a base de cianoacrilato.
Com a utilização de uma placa de aquisição de dados, o transdutor foi excitado por um sinal
chirp x(t) de amplitude 1 V e faixa de frequência de 0-200 kHz com um passo de 2 Hz, e,
concomitantemente, foi realizada a leitura do sinal de resposta y(t) do transdutor para o sinal
chirp. A taxa de aquisição ajustada foi de 2 MHz. As mesmas configurações foram utilizadas
para a análise via FRF, sendo o atuador excitado pelo sinal chirp x(t) e, concomitantemente, a
leitura do sinal de resposta se deu no sensor instalado do lado oposto ao atuador.
(1)(5)
10
Para a geração de ruídos brancos aleatórios na estrutura, que variaram nos valores de
0,5 V, 1 V e 10 V de pico, um outro diafragma de mesmas características foi acoplado na chapa.
Como danos estruturais, foram feitos furos de 1 mm, e 10 mm de diâmetro, os quais
representam, em percentual de área danificada, 0,0005% e 0,05%, respectivamente. Para cada
metodologia, a quantificação do grau de avaria foi realizada por meio do índice CCDM
(correlation coefficient deviation metric – métrica do desvio do coeficiente de correlação) que
comparou duas assinaturas contaminadas com ruído: a primeira, extraída da chapa íntegra
(baseline) e, a segunda, após a inserção dos danos descritos.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na condição ideal, tomando as inspeções em ambiente sem ruído, ambas metodologias
se mostraram eficazes para se diagnosticar as avarias inseridas na estrutura, uma vez que o
índice CCDM cresceu com o tamanho do dano. Entretanto, a metodologia FRF apresentou
valores maiores de índices para os danos em questão, mostrando maior sensibilidade ao
diagnóstico de falhas estruturais. Para as inspeções onde o ruído se fez presente, a configuração
FRF se mostrou mais sensível à influência do ruído nas medições, prejudicando o diagnóstico
de falhas em relação à análise convencional. Como exemplo, ruídos maiores que 0.5 V
prejudicaram o diagnóstico de falhas via FRF enquanto, na análise tradicional, estes valores
foram de 1 V. No mais, o aumento do ruído fez com que o índice CCDM apresentasse valores
na ordem dos valores apresentados pela estrutura íntegra, mascarando, assim, a existência de
danos estruturais.
5 CONCLUSÃO
Embora ambas técnicas apresentadas por este trabalho sejam eficazes no diagnóstico de
condição estrutural, mostrou-se que o ruído pode prejudicar e comprometer a correta avaliação
de uma estrutura. Sendo assim, embora a técnica via FRF seja mais sensível ao dano, para
ambientes reais onde o ruído é presente, a técnica convencional se mostrou mais eficaz para o
correto diagnóstico estrutural. Entretanto, verificou-se que, para baselines extraídas em
ambientes não controlados a tendência do sistema é criar falsos diagnósticos de condição
íntegra (falsos negativos) conforme o aumento do nível de ruído.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BAPTISTA F. G.; VIEIRA FILHO, J. “A New Impedance Measurement System for PZT-
Based Structural Health Monitoring”, IEEE Transactions on Instrumentation and
Measurement, vol. 58, no. 10, pp. 3602–3608, 2009.
SILVEIRA, R. Z. M.; CAMPEIRO, L. M.; BAPTISTA, F. G. “Performance of three transducer
mounting methods in impedance-based structural health monitoring applications”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 28, pp. 2349-2362, 2017.
TAKAHASHI, Y. “Evaluation of environmental noise by analyzing faint random vibration in
structural health monitoring” The Journal of the Acoustical Society of America, 2016.
11
LEVITAÇÃO ACÚSTICA
Cláudio José Ribeiro da Silva
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Átila Madureira Bueno
Orientador – Depto. de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO
O som é uma onda mecânica e como tal transporta energia que pode agir sobre partículas devido
às forças de radiação acústica. A ideia básica para suspender corpos é aplicar uma força de tal
forma a equilibrar seu peso. Na técnica de levitação acústica uma pequena esfera pode ser
suspensa pela força de radiação acústica gerada por uma onda estacionária, sendo que o ponto
de levitação está localizado na região em que o potencial acústico é mínimo, que é condição
necessária para levitar uma esfera com raio muito menor que o comprimento de onda. Dado o
exposto, este trabalho propõe o desenvolvimento de um modelo matemático de um sistema de
levitação acústica e sua implementação em sistemas de simulação.
PALAVRAS-CHAVE: Simulação, Levitação acústica, Ondas estacionárias.
1 INTRODUÇÃO
A ideia básica para suspender corpos é aplicar uma força de tal forma a contrabalancear
a força gravitacional. O princípio de funcionamento de um levitador acústico pode ser
entendido a partir de conceitos básicos de física. Assim, na técnica de levitação acústica uma
pequena esfera pode ser suspensa no ar pela força que surge a partir da radiação acústica gerada
por uma onda estacionária [2].
Uma onda estacionária obtém-se através da superposição de duas ondas progressivas de
mesma frequência, mesma amplitude e mesmo comprimento de onda, porém, propagando-se
em sentidos opostos [2,7]. Em um tubo ressonante a onda que se propaga é do tipo longitudinal,
sendo que o comportamento da onda longitudinal pode ser descrito pelas mesmas equações que
descrevem uma onda estacionária em um tubo com ambas as extremidades fechadas [2]. Além
disso, em uma onda longitudinal as partículas do ar se deslocam na mesma direção de
propagação da onda [1].
Diversos trabalhos apresentam os fundamentos da levitação acústica [1-7], sendo que
em [3] são apresentados resultados de simulação, e em [6], o levitador Tinylev tem seu
funcionamento descrito. Assim, o objetivo desse trabalho é: i) Compreender os fundamentos
físicos envolvidos nos processos de levitação acústica, ii) Desenvolver modelos matemáticos,
e com esses modelos, iii) criar modelos de simulação computacional. Os modelos deverão ser
baseados na estrutura do levitador TinyLev [6], de modo que os resultados de simulação
poderão ser comparados com os resultados experimentais.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Quando uma esfera se desloca no ar, a esfera faz com que o ar se movimente, e para
levitar essa esfera utilizando ondas estacionárias, é necessário que a força gerada pela radiação
acústica que atua na esfera seja suficientemente elevada para compensar o peso da esfera
[2,7,1].
12
O ponto de levitação localiza-se na região em que o potencial acústico é mínimo,
gerando um ponto de equilíbrio estável, que é condição necessária para levitar uma esfera com
raio muito menor que o comprimento de onda [2,7].
De acordo com o princípio de Bernoulli a onda empurra a esfera para as posições de
mínima amplitude de pressão acústica e de máxima amplitude de velocidade [2]. Quando uma
esfera é colocada na cavidade acústica entre o transdutor e o refletor, ela é empurrada para um
nó de pressão [1,7]. Os pontos de mínimos de potencial acústico ocorrem na linha de centro
transdutor-refletor. O espalhamento da onda acústica pelas esferas afeta a força de radiação
acústica sobre o refletor [7]. Além disso, a força de radiação acústica que atua nas esferas é
aumentada significativamente quando é utilizado um refletor côncavo em vez de um refletor
plano [1]. Nas extremidades do tubo a amplitude de pressão é máxima e a velocidade das esferas
é zero [2].
Se uma perturbação externa altera a posição de equilíbrio de uma esfera, a força de
radiação acústica aumenta e empurra a esfera novamente para a posição original [2,1]. Na
vizinhança de uma posição de mínimo potencial a força de radiação acústica se assemelha com
a força restauradora de uma mola.
Quando um sinal elétrico senoidal é aplicado ao transdutor, sua face vibra também de
forma senoidal, empurrando as moléculas de ar para frente e para trás. Este movimento faz com
que seja produzida uma onda acústica, que se propaga no ar com uma determinada velocidade,
denominada velocidade de propagação.
Para levitar uma esfera, é necessário que a amplitude de pressão da onda estacionária
seja suficientemente elevada. A amplitude de pressão é independente do raio da esfera [2]. A
esfera posiciona-se em levitação entre duas regiões consecutivas de alta amplitude de pressão
[7].
A força que uma onda estacionária exerce em uma partícula esférica de raio muito
menor do que o comprimento de onda pode ser calculada a partir da teoria de Gor’kov [4]. Os
mínimos de potencial ocorrem nas mesmas posições que os nós de pressão da onda estacionária
[2].
O refletor é utilizado para gerar as múltiplas reflexões de onda emitidas pelo transdutor
[7]. Uma das formas de realizar a manipulação de esferas é produzir uma onda estacionária a
partir da superposição de duas ondas progressivas emitidas por dois transdutores opostos. Ao
alterar a diferença de fase entre os transdutores, o nó de pressão da onda é deslocado, fazendo
com que a esfera aprisionada no nó seja manipulada [3].
A força aplicada sobre a esfera é diferente da força aplicada sobre o refletor. A força de
radiação acústica possui maior intensidade no eixo vertical, eixo de propagação da onda
acústica, que no eixo horizontal. A geometria das esferas idênticas produz o mesmo
espalhamento sobre o campo da força de radiação acústica incidente sobre o refletor,
independente do material utilizado.
O emissor de ondas acústicas é o transdutor, toda a face emissora vibra harmonicamente
em uma determinada frequência. Com a Equação de Gor’kov é possível determinar os nós de
levitação, região em que o potencial acústico é mínimo e estável para levitar uma esfera [7]. No
nó a amplitude de pressão acústica é zero [1]. Em um nó pode levitar apenas um objeto [7]. No
anti-nó a amplitude de pressão acústica é máxima.
Quando uma esfera pequena é colocada na região de potencial acústico ela é empurrada
para as regiões de mínimo potencial acústico. Isso significa que a esfera é empurrada para as
regiões de alta velocidade do ar e repelida das regiões de alta pressão. Existe uma mínima
potência elétrica para levitar as esferas.
Dependendo da concentração de esferas, cada esfera que cai afeta a distribuição de
velocidades do ar ao redor dela, fazendo com que a trajetória das esferas vizinhas também seja
13
afetada. Quanto maior a densidade da esfera, mais suave é o aumento da oscilação da mesma,
com o aumento da intensidade da força de radiação acústica.
O comportamento de uma esfera na vizinhança de um ponto de mínimo potencial
acústico é semelhante ao comportamento de uma massa em um sistema massa-mola. A
constante elástica é um parâmetro útil para determinar a capacidade de um levitador em manter
as esferas presas em cada nó. Quanto maior a constante elástica, maior a densidade da esfera
que pode ser colocada no nó do levitador [1]. Uma forma de alterar a geometria da cavidade
acústica é alterar o diâmetro do transdutor ou do refletor.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Os equipamentos utilizados no desenvolvimento do trabalho serão o sistema TinyLev,
bem como o software MATLAB® / SIMULINK® e LabVIEW®, para o desenvolvimento do
sistema de simulação. Os resultados de simulação serão comparados com o observado
experimentalmente no sistema Tinylev.
4 CONCLUSÕES
Espera-se que com os modelos matemáticos seja possível estudar o comportamento
dinâmico dos sistemas de levitação acústica, além de estudos de simulação, e com isso, iniciar
o desenvolvimento de sistemas de controle de levitação acústica.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ANDRADE, M.A.B. Estudo da força de radiação acústica em partículas produzida por
ondas progressivas e estacionárias. EPUSP, São Paulo, 2010.
[2] ANDRADE, M.A.B.; PÉREZ, N.; ADAMOWSKI, J.C. Levitação acústica (Acoustic
levitation). Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 37, 2015.
[3] ANDRADE, M.A.B.; PÉREZ, N.; ADAMOWSKI, J.C. Simulação de um sistema de
levitação acústica para manipulação de partículas em ar. COMSOL, Curitiba, 2015.
[4] GOR’KOV, L.P. On the forces acting on a small particle in na acoustical field in an
ideal fluid. Soviet Physics – Doklady, March, 1962.
[5] KING, L.V. On the acoustic radiation pressure on spheres. McGill University, Montreal,
June, 1934.
[6] MARZO, A.; BARNES, A.; DRINKWATER, B.W. TinyLev: A multi-emitter single-axis
acoustic levitator. Review of Scientific Instruments, 2017.
[7] RAMOS, T.S. Força de radiação acústica produzida por ondas estacionárias de
ultrassom. EPUSP, São Paulo, 2017.
14
AVALIAÇÃO DA PERTURBAÇÃO DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA NA
ÁREA DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEM EM INSTALAÇÕES HOSPITALARES
Nilton José Saggioro
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo José Amaral Serni
Orientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. André Luiz Andreoli
Coorientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Este trabalho propõe-se a apresentar uma avaliação da qualidade da energia elétrica em
instalações hospitalares. Apresenta a caracterização do consumo de energia de três
equipamentos típicos de diagnóstico por imagem, a saber: ressonância magnética, tomografia
computadorizada e equipamento de raios-X e, utilizando-se de simulação computacional, avalia
a perturbação produzida durante o funcionamento dessas cargas em um ponto de barramento
comum no interior das instalações de um hospital. A partir dos resultados obtidos são feitas
considerações sobre um limite considerado em recomendações técnicas e sobre a potência
nominal dos transformadores utilizados.
PALAVRAS-CHAVE: Qualidade de energia, instalações hospitalares, distorção de tensão.
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de equipamentos médicos utiliza de forma significativa a eletrônica
de potência para controlar a energia, atuando na amplitude, frequência e na forma de onda da
tensão nos equipamentos de conversão de energia, tais como nos equipamentos de diagnóstico
por imagem, que se caracterizam por serem cargas não lineares. Como efeito de sua utilização
nos sistemas elétricos, tem-se o aumento da preocupação com a qualidade da energia elétrica,
pois essas cargas geram distorções harmônicas e picos de corrente [1].
Qualidade de energia é o termo utilizado para avaliação da amplitude, frequência e
forma de onda da tensão e da corrente em determinado ponto da instalação, o que afeta direta
ou indiretamente tanto as cargas conectadas em um barramento comum no interior de uma
instalação hospitalar, quanto à própria rede de energia elétrica da concessionária quando essas
alterações extrapolam o interior das instalações consumidoras. Dessa maneira, qualidade de
energia é um dos principais problemas encontrados atualmente nas instalações industriais,
comerciais e hospitalares, podendo provocar problemas como interferências na operação de
equipamentos médicos, mau funcionamento dos sistemas de proteção, entre outros [2]-[5].
Este trabalho propõe o estudo da qualidade de energia, no quesito distorção harmônica
da tensão, de uma instalação hospitalar composta por um equipamento de ressonância
magnética, um equipamento de tomografia computadorizada (tomógrafo) e um equipamento de
raios-X, visando avaliar através de simulação computacional os níveis de distúrbios produzidos
em um barramento comum de alimentação das cargas sob análise, e compará-los com os limites
preconizados nos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional (PRODIST, Módulo 8) [7]. Também se propõe a avaliar a influência da capacidade
nominal dos transformadores que alimentam essas cargas nos níveis de distorção apresentados.
15
2 REVISÃO DA LITERATURA
Na literatura, existem vários estudos sobre o efeito da distorção harmônica e da
qualidade de energia em sistemas de potência hospitalares. Em [4], é descrita a qualidade de
energia em uma auditoria conduzida em hospitais da Índia, onde foi constatado que os
principais problemas encontrados foram cintilação de tensão, correntes de neutro e distorção
harmônica. Os autores recomendaram a mitigação da distorção harmônica para um melhor
funcionamento dessas instalações. Em [5] é apresentado o estudo de caso na unidade de
emergência de um hospital da Romênia e concluiu que os registros de monitores cardíacos
podem ser afetados por problemas de qualidade de energia. Em [6] foi feita uma avaliação do
nível de poluição harmônica produzida por instalações hospitalares no hospital central de
câncer na Inglaterra, e os autores concluíram que um filtro ativo de potência desempenha um
papel importante na mitigação harmônica.
Conclui-se então que é importante analisar o comportamento de instalações hospitalares
que alimentam cargas não lineares no quesito qualidade de energia.
3 MATERIAL E MÉTODOS
A Fig. 1 apresenta o diagrama unifilar parcial típico da área de diagnóstico por imagem
de um hospital. Este sistema é composto por um transformador de distribuição de 13800/380 V,
delta-estrela aterrado, conectado a um alimentador (AL-1) que se divide em três ramais (AL-
1.1, AL-1.2 e AL-1.3), cada um atendendo um equipamento médico diferente.
Fig. 2. Diagrama unifilar parcial típico de um hospital.
A Tabela I destaca as características das cargas utilizadas neste estudo, sendo a potência
e o conteúdo harmônico obtido a partir de medições de campo utilizando-se de um analisador
de qualidade de energia elétrica da marca FLUKE, modelo 435:
TABELA I. CARACTERÍSTICAS DAS CARGAS ESTUDADAS.
Carga Potência (kVA) Conteúdo Harmônico das Correntes (%)
THD 3º 5º 7º 9º 11º 13º 15º 17º 19º 21º
Ressonância 85 16,1 1,5 8,5 8,0 1,2 7,3 7,2 0,7 2,5 2,4 0,3
Tomógrafo 75 5,3 1,9 3,4 2,1 0,7 2,0 1,8 0,3 0,5 0,1 0,1
Raio-X 40 36,6 35,8 5,1 4,0 1,5 1,8 2,0 1,0 0,9 0,9 0,5
As simulações foram realizadas no MATLAB/Simulink® e considerou-se que as cargas
são ligadas sequencialmente e permanecem ligadas. No instante inicial da simulação é ligada a
Ressonância Magnética, no instante t=2,0 s é ligado o Tomógrafo e no instante t=4,0 s é ligado
o Raio X. Após a simulação foram tomados os valores da THD de tensão junto às buchas de
saída do lado de baixa tensão do transformador para os três instantes e também foram simuladas
situações para transformadores de diversas potências nominais.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
16
A Figura 2 mostra o comportamento da THD de tensão junto às buchas de saída do lado
de baixa tensão do transformador para cada intervalo de tempo (conforme a entrada das cargas)
e para diferentes potências nominais de transformadores.
Fig. 2. THD de tensão no lado BT conforme a entrada das cargas.
5 CONCLUSÕES
Observa-se que o valor limite de 5% preconizado (em [7]) na THD da tensão foi
ultrapassado para o transformador de 225 kVA, apesar da soma das potências das cargas
totalizar 200 kVA e ficar abaixo de sua capacidade nominal. Para evitar que esse limite seja
excedido poderá ser utilizado um transformador de maior capacidade, conforme a Figura 2.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] RAMOS, M.C.G. Uma contribuição para a área de saúde por meio da verificação do impacto
da qualidade de energia e das instalações elétricas nos equipamentos eletromédicos. 2009. 253 p.
Tese (Doutorado em Engenharia) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009.
[2] H. Aintablian, “The harmonic currents of commercial office buildings due to non-linear electronic
equipment,” in Southcon/96 Conference Record, 1996, pp. 610–615.
[3] M. H. Rashid, Eletrônica de Potência. Dispositivos, Circuitos e Aplicações, Edição: 4. Pearson,
2014.
[4] U. Rao, S. N. Singh, and C. K. Thakur, “Power quality issues with medical electronics equipment in
hospitals,” in 2010 International Conference on Industrial Electronics, Control and Robotics, 2010, pp.
34–38.
[5] M. I. Buzdugan, H. Balan, and D. T. Muresan, “An electrical power quality problem in an emergency
unit from a hospital – cade study”, in SPEEDAM 2010 International Symposium of Power Electronics,
Electrical Devices, Automation and Motion, 2010, pp. 251-256.
[6] R. Hartungi and L. Jiang, “Investigation of Power Quality in Health Care Facility,” Renew. Energy
Power Qual. J., vol. 8, Apr. 2010.
[7] ANEEL, “Agência Nacional de Energia Elétrica - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica
no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST: Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica,” 2017.
17
DINÂMICA E CONTROLE NÃO-LINEARES DA MICROSCOPIA DE FORÇA
ATÔMICA (AFM), INCLUINDO-SE TERMOS DE ORDEM FRACIONÁRIA
Patricia Soyuri Yamaguchi
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Tit. José Manoel Balthazar
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Ângelo Marcelo Tusset
Coorientador: - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTF, Ponta Grossa-Paraná
RESUMO
O microscópio de força atômica (AFM) com medidas efetuadas em nanoescala é atualmente
um campo de pesquisa multidisciplinar. A pesquisa realizada teve como objetivo principal
contribuir com a pesquisa cientifica sobre o microscópio de força atômica (AFM), considerou
que o sistema opera no modo intermitente e em meio líquido, e que a dinâmica do
amortecimento do meio líquido foi representado por derivadas de ordem fracionária. Através
de ferramentas de simulação numérica foram realizada a análise da dinâmica não linear do
sistema para os casos particulares em que o sistema tenha comportamento caótico. Para
supressão deste comportamento caótico foram analisada estratégias de controle, o controle
SDRE (Estados Dependentes da Equação de Riccati), o controle OLFC (Controle Linear por
Realimentação Ótimo) e o controle TDFC (Controle de Atraso de Tempo), incluindo-se analise
de sensibilidade e robustez.
PALAVRAS-CHAVE: AFM, Caos, Comportamento Dinâmico Não- Linear, Controle.
1 INTRODUÇÃO
Objetivo desta pesquisa é o de contribuir com a pesquisa científica sobre (AFM)
considerando-se que o sistema está operando no modo intermitente e em meio líquido, e que a
dinâmica do amortecimento do meio líquido possa ser representada por derivadas de ordem
fracionária. Através de ferramentas de simulação numérica, realizou a análise da dinâmica do
sistema para os casos em que o sistema tenha comportamento caótico. Para supressão do
comportamento caótico foram utilizadas e analisadas três estratégias de controle, o controle
SDRE (Estados Dependentes da Equação de Riccati), o controle OLFC (Controle Linear por
Realimentação Ótimo) e o controle TDFC (Controle de Atraso de Tempo).
Com o projeto buscou-se efetuar pesquisas nas áreas de modelagem matemática,
simulação computacional, análise da dinâmica e projeto de técnicas de controle. Contribuindo
com áreas multidisciplinares e interdisciplinares e com a perspectiva de atuação integrada em
diversas áreas de conhecimento de engenharia. Além disso, espera-se que no futuro novos
projetos relacionados ao tema possam ser desenvolvidos, e que os resultados possam contribuir
com pesquisas correlatas.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Técnicas de bifurcações e controles otimizados para o AFM em contato conforme
Settimi et al. (2016), sem contato conforme Settimi et al. (2015), no modo intermitente
18
conforme Balthazar et al.(2013), Tusset et al.(2013), Nozaki et al.( 2013 ,2014). Incluindo a
influência de erros paramétricos, com o objetivo de se investigar a análise de sensibilidade, e
fazer simulações do sistema de controle não-linear de freqüência modulada do microscópio de
força atômica (FM-AFM) conforme Bueno et al .(2011).
Recentemente, Tusset et al.(2017), os autores estudaram a dinâmica não-linear de um
Microscópio de Força Atômica (AFM) operando no modo intermitente, considerando a
influência do amortecimento tomando-se ordem fracionária.
De forma a caracterizar o tipo de comportamento, foi utilizado o teste 0-1 conforme
Tusset et al.(2017); uma vez que é uma boa ferramenta para caracterizar sistemas diferenciais
de ordem fracionária. Além disso, a técnica de controle de feedback linear para sistemas de
ordem fracionária foi aplicada para controlar os comportamentos caóticos. Portanto, os
resultados mostraram um comportamento não linear apresentado pelo sistema AFM.
A técnica de controle de realimentação foi eficiente para controlar o movimento caótico
da microviga do AFM, incluindo os resultados da variação dos parâmetros da derivada
fracionada do amortecimento. Em conforme D. Bernardini, et al (2015), o teste 0-1 foi aplicado
para investigar a dinâmica não linear da deflexão da microviga no micoscópio de força atômica,
considerando a influência das forças de Van der Waals, entre várias análises de superfície,
variação da geometria da ponta, influência da constante da mola e a variação do ponto de ajuste
da amplitude da microviga no microscópio de força atômica. Os resultados numéricos obtidos
mostraram que a análise dos parâmetros pode ser muito significativa para o comportamento
caótico ou periódico.
A reconstrução do espaço de estados foi feita conforme Nozaki et al. (2018), com a
teoria da informação mútua e falsos vizinhos mais próximos, observando diferentes retratos de
fase para diferentes distâncias entre a amostra e a ponta.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Para realização do trabalho foram utilizados, um notebook, o programa MATLAB 2017
para simulações numéricas e análise de dados.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Este trabalho apresentou os principais resultados obtido no decorrer da pesquisa: o
comportamento dinâmico e controle de uma microviga flexível, as forças de Van der Waals, os
modos de funcionamento: contato, não contato e contato intermitente; caos, controle não linear,
e as equações para se aplicar o controle, o assunto se tratou de controlar a vibração de uma
microviga flexível, cuja viga representa o movimento de flexão da microviga e as interações.
5 CONCLUSÕES
O controle não linear que foi aplicado no AFM, incluiu simulações, resultados e o
cálculo fracionário, onde a aplicação vem aumentando rapidamente nas áreas de física e
engenharias, pois permitiu descrever uma condição mais real de um objeto do que através dos
métodos de ordem inteiras e foi adotado esta técnica. Tratou da influência do amortecimento,
do termo de rigidez não-linear e do amortecimento em ordem fracionária na dinâmica do
sistema AFM no modo de derivação, aplicou o controle do microscópio da força atômica (afm)
que incluiu a derivada de ordem fracionária.
19
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Balthazar J.M., Tusset A.M., Souza S.L.T.D., Bueno A.M., Microcantilever chaotic motion
suppression in tapping mode atomic force microscope, Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 227, 8, 1730-
1741,2013.
Balthazar, J.M; Tusset, A.M.; de Souza, S.L.T.; Bueno, A.M. . Microcantilever chaotic
motion suppression in tepping mode atomic force microscope, 2012.
Bento Rodrigues; Bueno, Átila Madureira, Preventing Chaotic Motion in Tapping – Mode
Atomic Force Microscope, 2014.
Bernardini, Davide; Litak, Grzegorz, An overview of 0-1 test for chaos, 2015.
Bueno, A. M., Balthazar J.M, Piqueira, J.R. C., Phase-Locked Loop design applied to
frequency-modulated atomic force microscope, 2012.
Landolsi Fakhreddine, H. Ghorbel Fathi, Dick Andrew J. Analysis of the occurrence of
stick slip in AFM-based nano-pushing, 2012.
Nozaki, R., Balthazar, J. M., Tusset, A. M., Pontes, B. R. and Bueno, A. M., “Nonlinear
Control System Applied to Atomic Force Microscope Including Parametric Errors”,
Journal of Control, Automation and Electrical Systems, Vol. 24, pp. 223-231, 2013.
Nozaki Ricardo; Navarro, Helio A. ; TUSSET, A. M. ; Rocha, R. T. ; A. P. Da Silva, ; Balthazar,
Jose Manoel . On a Time Series Analysis Generated by a Sensor of an Atomic Force
Microscope (AFM). International review of mechanical engineering (testo stampato), v. 12, p. 1,
2018.
Rodrigues, Kleber dos Santos; Balthazar, José Manoel; Tusset; Angelo, Marcelo; de Pontes,
Preventing Chaotic motion in tapping mode Atomic Force Microscope, 2014.
Settimi Valeria, Gottlieb Oded, Rega Giuseppe. Asymptotic analysis of a noncontact AFM
microcantilever sensor with external feedback control, 2015.
Settimi, Valeria; Rega, Giuseppe. Global dynamics and integrity in noncontacting atomic
force microscopy whith feedback control, 2016.
Tusset, A.M, Balthazar J.M, Janzen F.C, Rocha, R.T, Yamaguchi, P.S. Dynamics Behaviour
and Control of an Atomic Force Microscopy (afm) Including Fractional-Order, 2017.
20
ESTUDO DO POTENCIAL DE COLHEITA DE ENERGIA PARA MEDIÇÃO DE
VAZÃO EM APLICAÇÕES DE IOT
Ireno G. Machado Junior
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Eduardo Paciencia Godoy
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba
RESUMO
A colheita de energia em pequenas quantidades emerge como uma das soluções para a
alimentação sustentável de sensores e dispositivos de controle e monitoramento em redes sem
fio nas aplicações da Internet das Coisas (IoT). Este trabalho tem como principal objetivo o
desenvolvimento de um protótipo de colheita de energia e monitoramento de vazão a partir de
redes de distribuição hidráulicas. O sistema experimental montado apresenta um circuito
fechado de fluxo variável de água, criado a partir de uma bomba pressurizadora controlável
eletronicamente, com sensor de vazão e um micro hidrogerador. A energia elétrica recuperada
através do micro hidrogerador alimenta um dispositivo de IoT com comunicação via Wi-Fi dos
dados de monitoramento da vazão e ainda provê energia para carregamento de um conjunto de
baterias de suporte. Os testes realizados demonstraram a viabilidade da colheita de energia pelo
micro hidrogerador, com capacidade de geração de aproximadamente 1W, os quais são
suficientes para manter o sistema em operação contínua e comprovar o potencial da colheita de
energia como uma alternativa viável para utilização nas redes de sensores sem fio da Internet
das Coisas.
PALAVRAS-CHAVE: Colheita de Energia, Redes de Comunicação Sem Fio, Internet das
Coisas (IoT).
1 INTRODUÇÃO
A Colheita de Energia em pequenas quantidades para a alimentação dos sensores e
dispositivos de redes sem fio abrange atualmente uma importante parcela das iniciativas de
pesquisa e desenvolvimento, tanto no meio acadêmico quanto nas empresas focadas em
inovações tecnológicas (Harb, 2010). A aplicação da colheita de energia envolve os mais
diferentes campos da engenharia, permitindo a união das áreas de automação, eletroeletrônica,
mecânica e computação. Um dos principais objetivos das pesquisas em colheita de energia é o
de atender ao paradigma da Internet das Coisas (IoT), a qual surge como uma nova revolução
tecnológica onde a interação entre máquinas, seres humanos e o meio ambiente permite um
novo patamar de excelência na forma como se produz bens e serviços.
2 METODOLOGIA
Para realização deste projeto foi construído um protótipo para estudo do potencial de
colheita de energia da vazão hidráulica para desenvolvimento de uma solução autossustentável
de medição e monitoramento dessa vazão. A proposta é que a energia elétrica obtida pela
colheita seja utilizada para a alimentação de um dispositivo eletrônico de medição e
comunicação em rede sem fio no âmbito da Internet das Coisas. A integração da energia
coletada e da medição de vazão é transmitida via comunicação sem fio para o armazenamento
dos dados e disponibilização remota em tempo real e de forma interoperável online, para
21
qualquer tipo de plataforma, como smartphones, tablets ou computadores, tornando os dados
de monitoramento acessíveis em tempo real, para qualquer ponto co-nectado à rede e/ou
Internet.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A Colheita de Energia do meio ambiente através de micro hidrogeradores coletores de
energia do movimento de fluidos é uma das maneiras para suprir energia elétrica para os nós
sensores de redes de comunicação sem fio IoT. Conforme (Gilbert, 2008), as redes de sensores
sem fio oferecem uma solução para muitos problemas de monitoramento de processos, porém
uma barreira para sua adoção é a necessidade de suprir alimentação elétrica por longos períodos
de tempo sem a necessidade de redes cabeadas e a colheita de energia fornece uma solução
potencial para este problema em muitas aplicações. A colheita de energia do meio ambiente
para alimentação de pequenos componentes eletrônicos tem sido intensamente pesquisada na
última década, com o principal objetivo de viabilizar sistemas eletrônicos sem fio auto-
alimentados. (Cunefare, 2013). A micro geração de energia hidráulica para aplicações urbanas
emerge como uma tecnologia promissora na recuperação da energia cinética da vazão do
suprimento de água para impulsionar microturbinas e gerar eletricidade (Alarefi, 2016).
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os trabalhos realizados abrangeram a colheita de energia de um micro hidrogerador e
sua utilização para alimentação de um dispositivo IoT modelo ESP 8266 programado para envio
dos dados via WI-FI, da vazão monitorada do protótipo construído. Os valores máximos de
potência gerada atingiram 916 mW, limitados em função da vazão máxima de 7,2 litros/min.,
obtida a partir da bomba de pressurização, porém com potencial de atingir valores superiores
através das vazões das redes de distribuição hidráulicas existentes. Através dos resultados
obtidos pode-se concluir o potencial e a viabilidade da colheita de energia e sua utilização para
a operação de sensores e dispositivos em redes sem fio, sendo que, na sequência deste trabalho
pretende-se implementar outros protocolos de comunicação, tais como MQTT e Modbus TCP,
com diferentes dispositivos IoT.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALAREFI, S.A.S; Walker S. D. (2016). Intelligent Low-Cost Micro-Hydro Power Emulator
for Domestic Applications. School of Computer Science and Electronic Engineering CSEE.
CUNEFARE, K. A.; Skow, E.A.; Ertuk, A.; Savor, J.; Verma N.; Cacan, M.R. (2013). Energy
harvesting from hydraulic pressure fluctuations. Iop Publishing Smart Materials And
Structures.
GILBERT, J.M.; Balouchi, F. Comparison of Energy Harvesting Systems for Wireless Sensor
Networks, In: International Journal of Automation and Computing, Hull, 2008.
HARB, A. Energy harvesting: State-of-the-art, In: Elsevier - Renewable Energy 36, 2010.
22
ESTUDO DA SIMULAÇÃO DA OPERAÇÃO E CONTROLE DAS POTÊNCIAS
ATIVAS DE DOIS GERADORES COM COMUNICAÇÃO SEM FIO
Jefferson Aparecido Dias
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Átila Madureira Bueno
Orientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Paulo José Amaral Serni
Coorientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO
Em função de uma demanda crescente pela utilização da energia elétrica, existe a necessidade
da diversificação das matrizes energéticas, na busca de aumento na geração de energia elétrica.
Neste cenário, um dos desafios é a automação na comunicação entre os elementos que
compõem o sistema elétrico, desde o controle da geração distribuída até a medição das
características dos consumidores. Assim, este trabalho apresenta uma análise da operação de
dois geradores, com controle das potências ativas, com comunicação sem fio. Os modelos
computacionais foram desenvolvidos com o emprego do software MatLAB-TrueTime e
MatLAB-PLECS, ambos em ambiente Simulink. Os resultados obtidos indicam que a
comunicação por meio de uma rede sem fio se apresenta como uma alternativa interessante para
essa aplicação.
PALAVRAS-CHAVE: Análise de desempenho, Gerador distribuído, Microgeração, redes de
comunicação.
1 INTRODUÇÃO
O aumento do uso da energia elétrica, devido ao crescimento populacional nos últimos
anos, resultou na adoção de políticas que incentivassem a redução de gases causadores do efeito
estufa em muitos países e isso impulsionou o desenvolvimento de tecnologias de geração
distribuída de baixa ou média potência, incluindo fontes de energia renováveis ou alternativas
e elementos armazenadores de energia. Neste cenário, é fundamental a automação no controle
desses sistemas e que sejam criteriosamente estabelecidas as grandezas a serem monitoradas
para a obtenção dos dados, tais como tensões, correntes e potências, de forma eficiente (AL-
ANBAGI et al., 2013). Assim, este trabalho apresenta o estudo e simulação da operação e
controle de dois geradores distribuídos, com programação das potências ativas fornecidas e
comunicação por meio de uma rede sem fio do tipo ZigBee (ALLIANCE, 2009). A seção a
seguir apresenta a metodologia que foi adotada.
2 METODOLOGIA
A metodologia para o desenvolvimento desse trabalho fundamentou-se em estudos
preliminares referentes ao MATLAB – TrueTime e sobre a operação e controle de um ou mais
geradores distribuídos (GD). Esse desenvolvimento em duas etapas é apresentado a seguir.
23
2.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Foi realizada uma revisão nos tópicos de Topologias de Redes de Comunicação,
MatLAB – TrueTime (CERVIN, 2010) e Redes Inteligentes, obteve-se um material de
referência acadêmica e técnica para os estudos iniciais por meio da base de dados do IEEE,
manual do MatLAB – TrueTime e manual do PLECS Blockset.
2.2 ESTUDO E MODELAGEM DA MICROREDE INTELIGENTE
A modelagem para a simulação do circuito proposto foi desenvolvida no ambiente
PLECS Blockset com aplicação do MatLAB – TrueTime. Para o circuito simulado definiram-se
as comunicações entre os dispositivos conectados, bem como o tipo de informação a ser enviada
ou recebida entre tais dispositivos e o tempo de envio ou recebimento dos dados transmitidos.
A Figura 1 apresenta o circuito simplificado proposto, suas conexões e identificações quanto
ao tipo de software utilizado no desenvolvimento de cada uma das etapas. A rede sem fio
utilizada é do tipo ZigBee cujo protocolo é o IEEE 802.15.4.
Figura 1 – Circuito desenvolvido para a simulação
24
3 DISCUSSÕES
O circuito monofásico, representado de forma simplificada na Figura 1 foi simulado no
ambiente MatLAB PLECS Blockset e apresenta uma tensão eficaz de 127 V na fonte e uma
impedância da rede representada por um equivalente RL em série, onde R = 23,8 mΩ e L = 104
μH. A carga é de 10 kW e as potências do GD1 e do GD2 também são de 10 kW cada, porém,
cada GD injetará na rede apenas uma potência de 5 kW, ou seja, Pref1 = Pref2 = 5 kW. O tempo
de simulação foi de 10 s e os GDs foram ligados na rede a partir do instante t = 0,1 s. A Figura
2 apresenta o comportamento das potências no ponto de acoplamento comum PPAC, potências
de referência Pref1,2 e as potências medidas Pm1,2 respectivamente. A Figura 3 apresenta a rede
de comunicação proposta e a troca de informações entre cada dispositivo do circuito simulado.
A comunicação sem fio ocorre entre os dispositivos definidos como Nó1 e Nó2 e também entre
os dispositivos definidos como Nó3 e Nó4.
Figura 2 – 𝑃𝑃𝐴𝐶, 𝑃𝑅𝑒𝑓1,2 e 𝑃𝑚1,2. Figura 3 – Rede sem fio proposta para dois GD.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho apresenta o desenvolvimento, modelagem e simulação de um circuito com
o monitoramento e controle da operação de geradores distribuídos, por meio de uma rede de
comunicação sem fio. Com os resultados obtidos, pode-se observar o comportamento das
potências PPAC, Pref1,2 e Pm1,2 respectivamente, durante a entrada em operação de um GD. Para
a estrutura desenvolvida o Nó1 e o Nó3 atuaram no controle do GD1 e do GD2 respectivamente
e no processamento das medições, enquanto o Nó2 e o Nó4 foram responsáveis pelos controles
das potências ativas. A divisão do controle entre os dispositivos, Sensor e Atuador, permite de
forma remota o acesso e controle da geração da potência ativa, em um ambiente interligado e
interativo entre fornecedores e consumidores.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALLIANCE, ZigBee. IEEE 802.15.4, ZigBee Standard. 2009.
CERVIN, Anton; HENRIKSSON, Dan; OHLIN, Martin. TRUETUME 2.0 beta – Reference
Manual. Department of Automatic Control, Lund University (June 2010), 2010. Disponível
em: <http://www.control.lth.se/attic/truetime/report-2.0-beta5.pdf>. Acesso em: 3 de
novembro de 2016.
AL-ANBAGI, Irfan; EROL-KANTARCI, Melike; MOUFTAH, Hussein T. A Reliable IEEE
802.15.4 Model for Cyber Physical Power Grid Monitoring Systems. IEEE Transactions on
Emerging Topics in Computing, v. 1, n. 2, p. 258 – 272, 2013.
25
DETECÇÃO DO FENÔMENO DA QUEIMA NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
PLANA POR MEIO DO CRITÉRIO DE HINKLEY
Carine G. Távora
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
A retificação é um processo de usinagem amplamente aplicado na manufatura. Um dos danos
mais comuns que ocorre durante este processo é a queima do material, que altera as
propriedades mecânicas da peça usinada, comprometendo suas especificações. Sendo assim, o
diagnóstico da queima em materiais usinados tem extrema importância para a garantia de
qualidade do produto final gerado por este processo, além de auxiliar na manutenção correta de
todo aparato deste tipo de manufatura. Dessa forma, este artigo traz uma nova abordagem não
destrutiva para a identificação da queima em aço 1045 por meio do uso de transdutores
piezelétricos de baixo custo e da técnica de processamento digitais de sinais baseada no critério
estatístico de Hinkley. Os resultados obtidos indicam que o sistema proposto é eficaz em
identificar a queima, sendo uma técnica não destrutiva de rápida resposta e simples
implementação.
PALAVRAS-CHAVE: Critério de Hinkley, Retificação Plana, Monitoramento da Queima,
Transdutor Piezoelétrico
1 INTRODUÇÃO
Os processos de usinagem são de extrema importância para a fabricação de peças
mecânicas, peças que exigem alta precisão dimensional e geométrica e qualidade em sua
construção. Como a retificação se encontra em uma das últimas etapas da cadeia de produção,
é de suma importância monitorar esse processo, já que caso aconteça algum dano durante o
processo de retificação, compromete-se a peça e pode-se perder o trabalho realizado em etapas
anteriores, acarretando em alto custo de produção e perda de matéria prima (FABIANO et al.,
2017). Um dos problemas mais críticos que ocorrem durante o processo de retificação é a
queima nas superfície das peças. A queima ocorre durante a passagem do rebolo pela peça,
quando a quantidade de energia gerada pela área de contato produz um aumento localizado da
temperatura, suficiente para alterar as características estruturais da peça. Essa mudança de fase
geralmente pode ser observada visualmente pela cor azulada no material, porém, são
necessários testes mais elaborados para determinar se essa mudança de cor realmente condiz
com a queima da peça e se realmente houveram alterações de sua microestrutura para
compromete-la (RIBEIRO et al., 2017). Os métodos capazes de avaliar a microestrutura da
peça, chamados de métodos diretos de monitoramento, avaliam diretamente a condição da peça
utilizando sensores ópticos e por isso demandam significativo tempo de análise e obtenção dos
resultados, além de requererem a interrupção do processo e que seja retirada uma amostra da
peça para ser avaliada. Nesse cenário, os métodos indiretos de monitoramento ou inspeção de
integridade superficial das peças, são métodos que dependem de sinais de sensores e por isso
se caracterizam por serem não destrutivos e não intrusivos.
26
Visto isso, este artigo propõe a utilização de uma técnica não destrutiva para a
identificação da queima em aço 1045 por meio do uso de transdutores piezelétricos de baixo
custo e da técnica de processamento digitais de sinais baseada no critério estatístico de Hinkley.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
O critério de Hinkley ou Critério de Energia, tem a finalidade de caracterizar sinais de
emissão acústica, cujo conteúdo energético e faixa de frequência variam. É um algoritmo
sofisticado que detecta mudanças no sinal ao longo do tempo, além de mensurar o próprio
comportamento acústico de um sinal. Este algoritmo pondera a energia de cada amostra pela
média da energia do sinal total. O mínimo global desta curva corresponde ao instante de início
de um transitório no sinal (DE CASTRO et al., 2017; MARKALOUS; TENBOHLEN; FESER,
2008; ROBLES; FRESNO; MARTÍNEZ-TARIFA, 2015). A curva de Hinkley 𝑆(𝑖) do sinal
aquisitado 𝑥 é definida como a soma cumulativa das energias de cada amostra, ponderadas pela
média do sinal selecionado, conforme Equação 3 (MARKALOUS; TENBOHLEN; FESER,
2008).
𝑆(𝑖) = ∑ (𝑥𝑘2 −
𝑆𝑁
𝑁)𝑖
𝑘=0 (3)
Em que 𝑖 é o número de amostras da parte selecionada do sinal, 𝑆𝑁 representa a energia total e
𝑁 é o tamanho do sinal selecionado.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Os ensaios foram realizados em uma retificadora plana, onde os sinais de PZT foram
coletados por osciloscópio Yocogawa na passagem do rebolo de oxido de alumínio pela peça.
Foram realizados 8 testes utilizando peças de aço SAE 1045 e um rebolo de óxido de alumínio,
com os seguintes parâmetros de retificação: velocidade da peça 0,124 m/s, velocidade periférica
do rebolo 29,00 m/s, diâmetro do rebolo 307,8 mm, comprimento da peça 7 mm, largura da
peça 15 mm, fluido de corte, emulsão 4%. Os parâmetros da retificação foram mantidos
constantes durante os ensaios, exceto a profundidade de corte que variou de forma a produzir
peças com condições de superfície diferentes: sem queima, queima leve e queima severa. A
profundidade de corte da primeira peça foi de 5 μm e então variou-se para cada peça, 5 μm a
mais que a peça anterior. Os sinais foram processados digitalmente pelo software MATLAB.
Foram aplicados filtros digitais de 20k a 400 kHz após os sinais terem sido cortados apenas na
passada do rebolo, e então foi realizado o cálculo do Critério de Hinkley.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na Figura 1 é mostrado o Critério de Hinkley para os sinais acústicos provenientes da
retificação das peças 1 e 8.
Tomando-se como base o comportamento do vetor de Hinkley, é possível observar que,
para a peça 1, esta curva mostrou-se constante em todo intervalo de tempo. Cada amostra de
Hinkley do sinal teve valores praticamente iguais à média do sinal acústico total e o critério de
energia manifestou uma tendência nula durante todo o período de tempo correspondente a
usinagem da peça. Por conseguinte, pode-se afirmar que a característica acústica do processo
de retificação para este caso foi homogênea e não apresentou transitórios significativos a ponto
do critério ser sensível, uma vez que a curva não apresentou um ponto de mínimo global. Dessa
forma, pode-se concluir, que o critério de Hinkley mostrou-se sensível ao fenômeno da queima.
27
Figura 1 – Critério de Hinkley para as peças 1 (sem queima) e peça 8 (com queima).
4 CONCLUSÕES
Este artigo apresentou uma nova abordagem para a identificação do fenômeno da
queima em aço 1045 utilizando o critério de Hinkley que se mostrou uma técnica não destrutiva
e de rápida resposta, com grande eficácia e potencial para realizar a identificação da severidade
da queima do material.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DE CASTRO, B. A. et al. Assessment of Macro Fiber Composite Sensors for Measurement of
Acoustic Partial Discharge Signals in Power Transformers. IEEE Sensors Journal, v. 17, n.
18, p. 6090–6099, set. 2017.
FABIANO, L. F. G. et al. Avaliação do diafragma piezelétrico de baixo custo no
monitoramento do processo de retificação plana tangencial. Matéria (Rio de Janeiro), v. 22,
n. 4, 2 out. 2017.
MARKALOUS, S.; TENBOHLEN, S.; FESER, K. Detection and location of partial discharges
in power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions on
Dielectrics and Electrical Insulation, v. 15, n. 6, p. 1576–1583, dez. 2008.
RIBEIRO, D. M. S. et al. Spectra Measurements Using Piezoelectric Diaphragms to Detect
Burn in Grinding Process. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, v. 66,
n. 11, p. 3052–3063, nov. 2017.
ROBLES, G.; FRESNO, J. M.; MARTÍNEZ-TARIFA, J. M. Separation of radio-frequency
sources and localization of partial discharges in noisy environments. Sensors (Switzerland),
v. 15, n. 5, p. 9882–9898, 2015.
28
TÉCNICA DE DIAGNÓSTICO DE DANOS DE PEÇAS METÁLICAS DURANTE O
PROCESSO DE RETIFICAÇÃO BASEADA EM IMAGENS ACÚSTICAS
Fabio Romano Lofrano Dotto
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Titular Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Departamento de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Este trabalho visa obter imagens acústicas da superfície do rebolo para identificar suas
condições durante a operação de dressagem. Testes experimentais foram realizados com um
dressador de diamante de ponta única em uma retificadora tangencial plana equipada com um
rebolo de óxido de alumínio, no qual marcas específicas foram intencionalmente feitas em sua
superfície para simular danos para posterior identificação. Os valores médios quadráticos
(RMS) foram então calculados a partir do sinal bruto com e sem filtragem e as imagens
acústicas obtidas. Os resultados mostram que a técnica proposta é eficiente para identificar os
danos na superfície do rebolo durante a operação de dressagem, bem como a sua localização.
PALAVRAS-CHAVE: Retificação, Mapa Acústico, Processamento de Sinais
1 INTRODUÇÃO
A retificação é um processo de acabamento de peças que exigem alta precisão e
tolerância dimensional rígida devido ao alto valor agregado. Quando o processo de retificação
ocorre, a superfície de corte do rebolo sofre desgaste e, em seguida, sua capacidade de corte é
reduzida. Por outro lado, a operação de dressagem é responsável por restaurar a superfície de
corte do rebolo. O presente trabalho contribui com a utilização de técnicas de processamento
de sinais de forma a construir um mapa acústico que represente a condição superficial do rebolo
durante a operação de dressagem.
2 REVISÃO DA LITERATURA
A eficiência do processo de retificação é altamente dependente do desempenho da
ferramenta de corte, o rebolo (MOIA et al., 2015).
No momento que o rebolo perde a capacidade de corte durante o processo de retificação,
torna-se necessário interromper o processo e realizar a operação de dressagem. A solução
consiste em condicionar a superfície do rebolo quando ela perde sua forma original devido ao
desgaste dos grãos abrasivos e a impregnação de cavaco nos poros (LOPES et al., 2017;
MARTINS et al., 2014; MOIA et al., 2015). Neste contexto, o monitoramento da condição da
ferramenta de corte desempenha um papel importante no processo de retificação (LAURO et
al., 2014).
Para o acompanhamento da capacidade de corte do rebolo torna-se necessário o
monitoramento de sua condição que envolve a aquisição, processamento e análise de dados
relacionados à ferramenta sob diversas condições experimentais. Diversas técnicas foram
pesquisadas para realizar cada etapa do monitoramento da condição da ferramenta. (NAKAI et
al., 2015).
A motivação deste estudo baseia-se na pesquisa de (DE OLIVEIRA; DORNFELD,
2001), na qual um mapa de superfícies de rebolos foi obtido a partir dos valores RMS dos sinais
29
EA (Emissão Acústica). No entanto, diferentemente do trabalho que foi mencionado
anteriormente, o presente trabalho utiliza intervalos de tempo variáveis e faixas de frequências
específicas aplicadas ao sinal de EA bruto para construir imagens acústicas a partir a estatística
RMS resultante.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Testes foram realizados usando uma retificadora superficial plana modelo RAPH 1055,
da fabricante Sulmecânica e um rebolo de óxido de alumínio fabricado pela Norton, modelo
38A150-LVH, com dimensões de 355,6 x 25,4 x 127,0 mm. Utilizou-se um sensor EA da marca
SENSIS com faixa de frequência de até 500 kHz. Um encoder foi montado no eixo do rebolo
para coletar o sinal de sincronismo a ser usado na construção do mapa acústico.
Para coletar os dados, utilizou-se um osciloscópio, modelo DL850, da Yokogawa, com
taxa de amostragem de 5 MS/s. A Figura 1a mostra a bancada de testes.
(a) (b)
Figura 1. Bancada de testes (a) e danos com sinal de “+” inseridos na superfície do rebolo (b)
Com o objetivo de simular dano na superfície do rebolo e, posteriormente, obter
imagens acústicas dos dados de EA coletados durante os testes de dressagem, um sinal de soma
(+) foi usinado na superfície do rebolo (Figura 1b). Este símbolo tem comprimentos horizontais
e verticais de 15 mm e profundidade de 2,5mm. Os testes consistiram em 3 passos de dressagem
com profundidade de corte (a) de 10 μm, largura de atuação de dressador (Bd) de 240 μm,
rotação do rebolo de 1800 rpm, grau de recobrimento (Ud) igual a 1 e tempo de dressagem (td)
de 3,53s. As frequências de corte foram determinadas a partir do estudo do espectro de sinal.
Após a filtragem do sinal de EA nas bandas de frequência escolhidas, calculou-se o valor RMS
e obteve-se o mapa acústico do rebolo com e sem filtro, considerando uma janela de tempo de
0,1 ms.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
As imagens acústicas foram obtidas de acordo com a metodologia descrita no item 3,
na qual foi utilizado o valor RMS, que foi calculado a partir do sinal EA bruto com filtro e sem
o filtro para as bandas de frequência escolhidas. Nessas imagens, as direções horizontal e
vertical são a circunferência e a largura do rebolo, respectivamente, enquanto a escala de cinza
representa a magnitude do valor RMS da interação entre a superfície do rebolo e o dressador.
A figura 2 mostra duas imagens acústicas obtidas. A imagem superior foi construída usando o
sinal EA RMS calculado a partir do sinal bruto sem qualquer filtro digital (RMS Regular). A
imagem inferior foi gerada de forma semelhante, mas a partir do sinal bruto filtrado na faixa de
30
frequência escolhida (RMS Filtrada). A linha horizontal nesta figura mostra o comprimento do
rebolo. Observa-se que ambas as imagens mostram o símbolo “+”, localizado a 280mm. No
entanto, o símbolo pode ser melhor visualizado na imagem inferior, que foi gerada usando o
filtro digital na banda de frequência escolhida.
Figura 2. Imagens Acústicas obtidas para a estatística RMS com e sem filtro com a=10m
5 CONCLUSÕES
O objetivo do presente trabalho foi obter imagens acústicas a partir de sinais de emissão
acústica para identificar a condição superficial do rebolo de óxido de alumínio. Danos na
superfície da ferramenta de corte foram simulados por meio de uma marca com uma forma
específica. Os testes foram realizados utilizando-se um dressador de ponta única, nos quais
foram coletados sinais EA e sincronismo. Estudos sobre os espectros de frequência do sinal de
EA bruto relacionado às condições da superfície de corte do rebolo foram conduzidos, e bandas
de frequência que melhor representaram essas condições do rebolo foram selecionadas.
Imagens acústicas foram geradas a partir dos valores RMS do sinal de EA com e sem
filtro digital nas bandas escolhidas. A partir dessas imagens, foi possível verificar que o uso do
filtro digital para uma faixa de frequência cuidadosamente escolhida resultou em uma imagem
acústica mais nítida, sendo que o dano induzido pôde ser mais facilmente visualizado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DE OLIVEIRA, J. F. G.; DORNFELD, D. A. Application of AE contact sensing in reliable grinding
monitoring. CIRP Annals - Manufacturing Technology, [s. l.], v. 50, n. 1, p. 217–220, 2001.
LAURO, C. H.; BRANDÃO, L. C.; BALDO, D.; REIS, R. A.; DAVIM, J. P. Monitoring and processing
signal applied in machining processes - A review. Measurement: Journal of the International
Measurement Confederation, [s. l.], v. 58, p. 73–86, 2014.
LOPES, W. N.; FERREIRA, F. I.; ALEXANDRE, F.; BIANCHI, E.; RIBEIRO, DANILO SANTOS;
JUNIOR, PEDRO CONCEIÇÃO; AGUIAR, P. R. Digital Signal Processing of Acoustic Emission
Signals Using Power Spectral Density and Counts Statistic Applied to Single-Point Dressing Operation.
IET Science, Measurement & Technology, [s. l.], p. 15, 2017.
MARTINS, C. H. R.; AGUIAR, P. R.; FRECH, A.; BIANCHI, E. C. Tool Condition Monitoring of
Single-Point Dresser Using Acoustic Emission and Neural Networks Models. IEEE Transactions on
Instrumentation and Measurement, [s. l.], v. 63, n. 3, p. 667–679, 2014.
MOIA, D. F. G.; THOMAZELLA, I. H.; AGUIAR, P. R.; BIANCHI, E. C.; MARTINS, C. H. R.;
MARCHI, M. Tool condition monitoring of aluminum oxide grinding wheel in dressing operation using
acoustic emission and neural networks. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and
Engineering, [s. l.], v. 37, n. 2, p. 627–640, 2015.
NAKAI, M. E.; AGUIAR, P. R.; GUILLARDI, H.; BIANCHI, E. C.; SPATTI, D. H.; D’ADDONA, D.
M. Evaluation of neural models applied to the estimation of tool wear in the grinding of advanced
ceramics. Expert Systems with Applications, [s. l.], v. 42, n. 20, p. 7026–7035, 2015.
31
MONITORAMENTO DA CONDIÇÃO DA FERRAMENTA DE DRESSAGEM
USANDO IMPEDANCIA ELETROMECANICA
Pedro de Oliveira C. Junior
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Titular Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Departamento de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
O objetivo deste trabalho é validar a proposta de um sistema de monitoramento alternativo da
ferramenta de dressagem baseado na técnica da impedância eletromecânica (EMI), de forma a
contribuir para a otimização do processo de retificação. Assim, ensaios experimentais foram
realizados simulando diferentes condições de falha em um dressador de multipontas de
diamante sintético. Um transdutor piezelétrico de baixo custo do tipo zirconato e titanato de
chumbo (PZT) foi anexado ao corpo da ferramenta e assinaturas de impedância foram medidas
por meio de um sistema de aquisição de dados EMI. Índices representativos foram calculados
para as diferentes condições de danos da ferramenta de dressagem, bem como para diferentes
localizações de falhas consideradas. Dos resultados obtidos, verificou-se que o sistema
proposto foi capaz de detectar as diferentes falhas provocadas na ferramenta, uma vez que as
assinaturas de impedância apresentavam variações significativas em diferentes bandas de
frequência, conforme o dano ocorria.
PALAVRAS-CHAVE: Monitoramento da condição da ferramenta, processos de manufatura,
dressagem, falhas, transdutores piezelétricos, técnica EMI.
1 INTRODUÇÃO
No processo de retificação, a operação de dressagem é realizada para restaurar a
topografia abrasiva do rebolo para que o desempenho ideal possa ser novamente alcançado
quando o mesmo perdeu sua capacidade de corte em função do uso. No entanto, o diamante da
ferramenta de dressagem também sofre desgaste durante tal operação. Dessa forma, um sistema
de monitoramento da operação de dressagem é essencial, já que uma operação de dressagem
usando dressadores com diamantes desgastados proporciona uma agressividade incorreta para
rebolo e, consequentemente, uma retificação inconsistente. Nesse sentido, a fim de se obter
eficiência e baixo custo em termos de processamento, os modernos sistemas de manufatura
usam técnicas de diagnóstico de falhas baseadas em sinais de um ou mais sensores (tais como
emissão acústica, vibração e força) para medir o desgaste, trincas, danos térmicos, dentre outros
danos em ferramentas de dressagem. Porém, a desvantagem de tais sistemas é certamente o seu
alto custo de implementação e a sua viabilidade, uma vez que, os sensores necessitam de
módulos auxiliares e os sistemas inteligentes demandam etapas de processamento
computacional. Por outro lado, o monitoramento de integridade estrutural (SHM) baseado em
impedância eletromecânica (EMI) é uma técnica inovadora para o monitoramento de processos
de manufatura. Umas das vantagens dessa técnica é a sua forma de avaliação não destrutiva
(NDE), que se destaca pela simplicidade e pelo uso de transdutores piezelétricos de baixo custo,
geralmente titanato de zirconato de chumbo (PZT). Sendo assim, este estudo propõe o uso do
método EMI para monitorar a operação de dressagem, com ênfase no diagnóstico de falhas em
dressadores de diamante, como uma nova contribuição para o processo de retificação (JUNIOR
et al., 2018; JUNIOR et al., 2018(b)).
32
2 REVISÃO DA LITERATURA
O princípio básico do EMI é baseado no efeito piezelétrico, que é a propriedade que
alguns materiais especiais têm para converter energia mecânica em energia elétrica (efeito
direto), bem como, energia elétrica em energia mecânica (efeito reverso). Desta forma,
mudanças na impedância mecânica da estrutura causadas por diferentes tipos de danos, tais
como rachaduras, desgaste ou corrosão, podem ser avaliadas simplesmente por meio da
medição e estudo da impedância elétrica do transdutor em uma faixa de frequência apropriada.
Nesse sentido, o dano é identificado pela comparação da impedância elétrica do transdutor
medida com a estrutura em uma condição inicial, considerada saudável, com a impedância
medida no transdutor após a estrutura ter sofrido possíveis danos. Essa comparação é feita por
meio de métricas de danos. Um dos índices mais utilizados na literatura é o RMSD (Root Mean
Square Deviation), dado pela Equação (1), (BAPTISTA; VIEIRA, 2009).
𝑅𝑀𝑆𝐷 = ∑ √[𝑍𝐸,𝐷(𝑘)−𝑍𝐸,𝐻(𝑘)]
2
𝑍𝐸,𝐻2 (𝑘)
𝜔𝑓
𝑘=𝜔𝑙 (1)
3 MATERIAL E MÉTODOS
Ensaios experimentais foram realizados usando um dressador industrial, multipontas,
de diamante sintético, (também conhecido como fliesen), de 50 mm de comprimento. Um
transdutor PZT de baixo custo do tipo diafragma, composto por placa de latão circular de 12
mm de diâmetro e cerâmica piezoeléctrica de 9 mm de diâmetro (elemento ativo) foi usado no
experimento, o qual foi colado no corpo do dressador. A medição das assinaturas de impedância
elétrica foi realizada por meio do sistema de medição EMI baseado em (BAPTISTA; VIEIRA,
2009), utilizando o dispositivo DAQ NI USB-6221. O transdutor PZT foi excitado através de
um resistor de 2.2 k e um sinal de chirp de 1V. O sinal de resposta foi amostrado a 250 kS/s.
O experimento consistiu na simulação de danos por meio da confecção de furos em diferentes
posições equidistantes ao longo da superfície do dressador que possuía 15 mm de largura e 2
mm de espessura, usando uma furadeira industrial equipada com uma broca de aço rápido de 1
mm de diâmetro. Assim, seis condições de danos foram definidas no experimento, o que
permitiu uma análise gradual da severidade do dano na ferramenta (de 1 a 6). Para analisar os
resultados, os índices de dano RMSD foram calculados usando a parte real da impedância. Foi
considerada a faixa de frequência de 0 a 120 kHz e intervalo de 10 kHz, adotando como
referência a condição inicial da ferramenta, sem danos (baseline).
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 1 apresenta os resultados das assinaturas de impedância por meio dos índices
RMSD, para as diferentes condições de dano induzidas na ferramenta de dressagem. Pode-se
observar que o sistema proposto foi capaz de detectar falhas da ferramenta de dressagem, pois
variações nas assinaturas de impedância acontecerem e, naturalmente, foram refletidas nos
índices RMSD, devido as diferentes variações estruturais que a estrutura sofreu quando os
danos foram provocados. Nota-se que os índices RMSD mostraram uma clara tendência de
crescimento em função da evolução das falhas na ferramenta de dressagem. Além disso, a
abordagem proposta foi capaz de diagnosticar a ferramenta sob condições severas de falhas,
principalmente no caso dos danos #5 e #6, uma vez que os índices RMSD foram mais altos,
principalmente na faixa de frequência de 100-120 kHz. Além disso, os resultados obtidos
33
mostraram que o sistema também foi capaz de detectar as falhas em diferentes locais,
correspondendo às diferentes posições em que se foram induzidos os danos na superfície da
ferramenta de dressagem.
Figura 1 – Índices RMSD para os diferentes níveis de danos considerados neste estudo
4 CONCLUSÕES
Esta pesquisa teve como objetivo avaliar as mudanças na integridade estrutural em
ferramentas de dressagem, causadas pelo desgaste durante a sua vida útil, bem como com danos
e falhas causados por outros fatores, como temperatura, choques, corrosão, etc. Sendo assim, a
abordagem proposta foi validada, uma vez que o método foi eficiente na detecção das alterações
sofridas pela estrutura do dressador, bem como na quantificação dos níveis de dano em termos
de amplitude. O sistema proposto poderá ser implementado no processo de retificação e evitar
que a operação de dressagem seja realizada com dressadores com diamantes desgastados ou
danificados, uma vez que foi possível identificar diferentes etapas da vida útil da ferramenta,
refletindo, portanto, na otimização do processo de retificação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BAPTISTA, F. G.; VIEIRA, J. F. A new impedance measurement system for PZT based
structural health monitoring. IEEE Trans. Instrum. Meas, v. 58, n. 3602–8, p. 3602–3608,
2009.
JUNIOR, P. DE O. C. et al. A New Approach For Dressing Operation Monitoring Using
Voltage Signals Via Impedance-Based Structural Health Monitoring. KnE Engineering, p.
942–952, 2018.
JUNIOR, P. O. C. et al. Time-domain Analysis Based on the Electromechanical Impedance
Method for Monitoring of the Dressing Operation. 2018, [S.l: s.n.], 2018.
Bandas de frequência Evolução do dano
34
IDENTIFICAÇÃO DE ADULTERAÇÃO DE LEITE BOVINO PELO MÉTODO DA
PROPAGAÇÃO DE ONDAS MECÂNICAS UTILIZANDO CÁPSULA
PIEZOELÉTRICA
Marcos Messias dos Santos Junior
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. José Alfredo Covolan Ulson
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Adulteração alimentícia é um ato de degradação intencional da qualidade da alimentação
ofertada para venda ou por mistura ou por substituição de substâncias com qualidades
nutricionais inferiores ou pela remoção de alguns nutrientes indispensáveis. Este trabalho de
pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para identificação de
contaminantes de leite bovino por meio do método da propagação de ondas mecânicas em meio
material (vibrações e emissão acústica) geradas e captadas por cápsulas piezelétricas de baixo
custo.
PALAVRAS-CHAVE: Emissão Acústica, Cápsulas piezelétricas (PZT), Análise temporal.
1 INTRODUÇÃO
Adulteração do leite criou um problema significativo para a indústria de laticínios,
conduzindo a perdas econômicas, deterioração da qualidade do produto e risco para a segurança
dos consumidores. Entretanto, a maioria dessas medições são caras e consomem tempo, assim
como, a amostra de leite necessita ser retirada diariamente para testes laboratoriais. Nesse
contexto, tornou-se necessário desenvolver novos e melhorados instrumentos para a detecção
rápida e confiável desse tipo de fraude (Mabrook & Petty, 2003). Os transdutores piezelétricos
são amplamente utilizados em várias aplicações de engenharia, como avaliação da integridade
estrutural, energy harvesting, localização de descargas parciais, dentre outros. Cabe observar
que, segundo (Baptista, 2010), estes dispositivos apresentam baixo custo, dimensões reduzidas
e baixo consumo de energia.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
O princípio da técnica da impedância eletromecânica é baseado no efeito piezelétrico,
que estabelece um acoplamento eletromecânico entre o transdutor e a estrutura a ser analisada.
Na técnica convencional o transdutor opera tanto como um sensor quanto como um atuador e
a impedância elétrica do transdutor tem relação direta com a impedância mecânica da estrutura.
Sendo assim, uma mudança na impedância mecânica por uma determinada avaria, produz
mudanças na curva de impedância elétrica do sensor. Com relação à análise via função resposta
em frequência (FRF), o diagnóstico estrutural se dá pela relação entre o sinal de excitação e
resposta de dois transdutores distintos, cada um operando, separadamente, como atuador e
sensor. A Figura 1 ilustra a abordagem.
35
Figura 3- Metodologia baseada na FRF.
A metodologia baseada na função resposta em frequência (Figura 1), o diagnóstico de
danos se dá pelo cálculo do estimador espectral conforme Equação 1:
𝐻(𝜔) =𝑆𝑥𝑦(𝜔)
𝑆𝑥𝑥(𝜔) (1)
sendo 𝐻(𝜔) o estimador espectral, 𝑆𝑥𝑦(𝜔) o espectro de potência cruzado dos sinais de
excitação (𝑥(𝑡)) e de resposta (𝑦(𝑡)) e 𝑆𝑥𝑥(𝜔) o auto espectro de potência do sinal de
excitação.
A FRF é calculada para uma determinada faixa de frequência. Tomando como referência
a assinatura característica de ambas metodologias para a estrutura em condição o leite puro, a
mudança destas curvas pode ser um indicativo de contaminação.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Com a utilização de uma placa de aquisição de dados, o transdutor foi excitado por um
sinal chirp 𝑥(𝑡) de amplitude 1 V e faixa de frequência de 0-65 kHz com um passo de 2 Hz, e,
concomitantemente, foi realizada a leitura do sinal de resposta 𝑦(𝑡) do sensor instalado do lado
oposto ao atuador. A taxa de aquisição ajustada foi de 250 kHz.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Espera-se que diferentes contaminantes e suas concentrações possam ser identificados
pela metodologia proposta. Preliminarmente, já que o trabalho se encontra em
desenvolvimento, é a apresentado nas Figura 2 (a) e Figura 2 (b) resultados preliminares da
técnica proposta.
Figura 4 - Resultados preliminares.
36
5 CONCLUSÕES
O estudo da identificação de tipos de adulterações no leite tem se mostrado de muita
utilidade, tendo como características a implantação de processos rápidos, confiáveis, de baixo
custo, menor volume possível para a análise e melhor custo benefício. O método descrito neste
trabalho, com emissão acústica e sensores PZT atuando como emissor e receptor, se encaixa de
forma interessante neste contexto, podendo, ao seu final, contribuir de forma efetiva nos
processos de identificação de contaminantes em leite.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Baptista, F. G. (2010). Uma Contribuição aos Sistemas de Monitoramento de Integridade
Estrutural Baseados na Impedância Eletromecânica. Ilha Solteira: UNESP – Campus de Ilha
Solteira.
Mabrook, M., & Petty, M. (27 de Maio de 2003). A novel technique for the detection of
added water to full fat milk using single frequency admittance measurements. Science
Direct, p. 1.
37
PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS APLICADO NO MONITORAMENTO DA
VIBRAÇÃO AUTO-EXCITADA – CHATTER
Rogério Thomazella
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Departamento de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Dentre os problemas críticos do processo de retificação se encontra a vibração regenerativa,
que é a forma mais comum de vibração auto-excitada (chatter). Este trabalho tem como objetivo
monitorar a ocorrência do fenômeno de chatter na retificação do aço SAE 1045 com rebolo de
óxido de alumínio, empregando-se técnicas de processamento digital de sinais de aceleração.
Realizou-se um estudo do conteúdo harmônico do sinal para as diferentes condições
superficiais da peça retificada, escolhendo-se uma faixa de frequência que melhor representou
essas condições. Em seguida, utilizou-se a estatística denominada Razão de Potência (ROP)
para a identificação do chatter. Os resultados mostraram que as magnitudes relacionadas às
frequências próximas a 30Hz mudam à medida que o fenômeno de chatter ocorre e que o
comportamento da ROP possui características relacionadas com o chatter.
PALAVRAS-CHAVE: Vibração auto-excitada, retificação tangencial plana, chatter.
1 INTRODUÇÃO
A qualidade da superfície da peça em processo de usinagem pode ser prejudicada por
vibrações causadas por fontes externas ou internas. Esses distúrbios são frequentemente
causados por oscilações auto-excitadas, também chamadas de chatter (AHRENS et al., 2016).
Na usinagem, pequenas ondas na superfície da peça são geradas pela passagem da ferramenta
de corte, as quais podem causar a ocorrência dessas vibrações auto-excitadas (YAN; XU;
WIERCIGROCH, 2015). Alguns fatores como altas taxas de remoção de material,
desbalanceamento e excentricidade do rebolo podem contribuir para o surgimento do chatter
(INASAKI; KARPUSCHEWSKI; LEE, 2001). O chatter no processo de retificação geralmente
surge por meio de vibrações de maior amplitude, próximas das vibrações harmônicas do rebolo
e da peça (GRADIŠEK et al., 2003), que afetam a qualidade da superfície da peça.
2 REVISÃO DA LITERATURA
O reconhecimento da ocorrência do fenômeno de chatter, embora aparente ser uma
tarefa simples para um operador treinado, consiste em uma tarefa difícil quando se trata do
reconhecimento automático desse fenômeno (GRADIŠEK et al., 2003).
A detecção automática da ocorrência de chatter no processo de retificação cilíndrica por
meio de um conjunto de sensores é apresentada por (AHRENS et al., 2013), que posteriormente
propôs um método de compensação ativo de chatter capaz de estabilizar e prevenir tal fenômeno
no processo de retificação (AHRENS et al., 2016). Em todos esses trabalhos, o espectro de
frequência dos sinais advindos dos sensores foi utilizado, porém a aplicação do parâmetro ROP
no estudo do chatter é inédita, e definida por (MARTINS et al., 2013) na Equação 1:
38
𝑅𝑂𝑃 = ∑ |𝑋𝑘|2𝑛2
𝑘=𝑛1
∑ |𝑋𝑘|2𝑁−1𝑘=𝑛1
(1)
onde N é comprimento do segmento de dados do sinal amostrado, 𝑛1 e 𝑛2 definem a faixa de
frequências, e 𝑋𝑘representa a k-ésima saída da transformada discreta de Fourier (DFT).
3 MATERIAL E MÉTODOS
Os ensaios experimentais foram realizados em uma máquina retificadora plana
tangencial, modelo RAPH 1055, equipada com um rebolo de óxido de alumínio as quais
utilizou-se 8 peças de aço SAE 1045, com dimensões de 150 mm x 7 mm x 48 mm, com
velocidade de corte de 29,0 m/s, velocidade de avanço de 0,124 m/s e 35μm de profundidade
de corte. Na detecção dos sinais de vibração, foi utilizado um acelerômetro, modelo 353B03.
Após o processo foram obtidas as imagens da superfície de cada peça e a partir destas imagens
fez-se a inspeção para realização do processamento digital de imagens. Os sinais de vibração
foram amostrados a 2 MS/s e reamostrados a 100 kS/s, sendo um filtro passa-baixa de 7 kHz
foi aplicado neste sinal.
Os espectros de frequência foram obtidos por meio da Transformada Rápida de Fourier
(FFT) usando-se a janela de Hanning. A partir do estudo dos espectros, uma banda de
frequência foi escolhida, a qual melhor representou o chatter e, em seguida, foi obtida a
estatística ROP para a detecção desse fenômeno.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O período (ΔT) do chatter observado na superfície da peça retificada foi de
aproximadamente 35ms, o que equivale a uma frequência em torno de 30 Hz, próxima a
frequência de rotação do rebolo, ilustrada na Figura 1 e descrito por (GRADIŠEK et al., 2003).
Figura 1. Inspeção visual da superfície da peça.
A Figura 2 mostra o espectro de frequência de seguimentos dos sinais de uma peça na
qual houve regiões com e sem chatter, bem como o espectro de todo o sinal ao longo da peça.
Observa-se na Figura 2(b), que há uma diferença de energia entre os espectros com e
sem chatter na faixa de frequência entre 20 – 40 Hz. Esse resultado está em consonância com a
afirmação feita por (GRADIŠEK et al., 2003) e com o resultado obtido a partir da inspeção
visual, demonstrando uma relação expressiva entre esse fenômeno e o sinal de vibração.
Com base no estudo desses espectros, foi selecionada a banda de frequência de 3kHz a
4kHz, pois as amplitudes das mesmas apresentam um mínimo de sobreposição para as
diferentes condições da peça. Em seguida, calculou-se a ROP na faixa de frequência escolhida.
Os resultados mostraram uma boa relação das curvas obtidas com a ocorrência do chatter.
Sem chatter
ΔT ΔT ΔT
ΔT ΔT ΔT
Com chatter
39
Figura 2. (a) espectro de frequência; (b) ampliação da frequência de rotação do rebolo;
(c) ampliação da banda de frequência que foi utilizada para cálculo da ROP.
4 CONCLUSÕES
A partir do estudo realizado, concluiu-se que os a frequência de rotação do rebolo possui
uma forte relação com a ocorrência do chatter, sendo que essa relação se estende para
frequências múltiplas da frequência de rotação do rebolo. Do estudo do conteúdo harmônico do
sinal de vibração, observou-se que a faixa de frequência de 3kHz a 4kHz possui um forte
relacionamento com o chatter e, portanto, foi escolhida para a obtenção da ROP. O parâmetro
ROP aplicado em uma banda de frequências possibilitou identificar as regiões da superfície da
peça com e sem a ocorrência de chatter e, portanto, esta estatística tem forte potencial para o
monitoramento do chatter. No entanto, esse trabalho é ainda preliminar, sendo que outros
materiais, rebolos, e bandas de frequências devem ser analisados para a verificação do método
proposto.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AHRENS, M. et al. An Active Damping Method for Chatter Vibration in Plunge Grinding
Using Electromagnetic Actuators. Procedia CIRP, v. 46, p. 197–200, 2016.
GRADIŠEK, J. et al. Automatic chatter detection in grinding. International Journal of
Machine Tools and Manufacture, v. 43, n. 14, p. 1397–1403, nov. 2003.
INASAKI, I.; KARPUSCHEWSKI, B.; LEE, H.-S. Grinding Chatter – Origin and Suppression.
CIRP Annals - Manufacturing Technology, v. 50, n. 2, p. 515–534, 2001.
MARTINS, C. H. R. et al. Neural networks models for wear patterns recognition of single-
point dresser. [s.l.] IFAC, 2013. v. 46
YAN, Y.; XU, J.; WIERCIGROCH, M. Non-linear analysis and quench control of chatter in
plunge grinding. International Journal of Non-Linear Mechanics, v. 70, abr. 2015.
40
IDENTIFICAÇÃO DE DANOS SUPERFICIAIS EM PEÇAS RETIFICADAS PELO
MÉTODO DA IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA
Fábio Isaac Ferreira
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Departamento de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Um dos principais problemas na produção de peças após a retificação é a ocorrência de danos
térmicos (queima, trincas, alterações metalúrgicas e tensão residual). Normalmente, eles são
detectados apenas através de técnicas destrutivas, por exemplo através de exames metalúrgicos.
Sob esta perspectiva, a técnica EMI (electromechanical impedance) surge como um método
não destrutivo promissor, a fim de auxiliar na validação e detecção de danos em componentes
usinados. Portanto, o objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade do método EMI ao
processo da retificação sob diferentes condições de corte. Para isto, peças de aço foram
retificadas utilizando diferentes valores de espessura equivalente de corte (heq) e medições da
EMI foram coletadas antes e após a retificação. A partir dos resultados parciais que foram
obtidos, pode-se verificar que os índices de dano calculados a partir das medições da
impedância eletromecânica possuem relação direta com os valores da espessura equivalente de
corte.
PALAVRAS-CHAVE: Retificação, impedância eletromecânica, integridade superficial,
técnica não destrutiva.
1 INTRODUÇÃO
O método EMI é uma técnica de monitoramento de integridade estrutural (SHM –
Structure Health Monitoring), que consiste em excitar um transdutor de baixo custo constituído
por um diafragma piezoelétrico de titanato zirconato de chumbo (PZT), o qual é fixado sobre a
estrutura, ao mesmo tempo em que captura um sinal elétrico de resposta utilizando uma placa
de aquisição. Este método é descrito detalhadamente em (Baptista & Filho, 2009). Ainda, um
estudo das características elétricas deste transdutor aplicado em SHM é apresentado no trabalho
(Almeida, Baptista, & Aguiar, 2015). O sinal de resposta que é coletado pelo sensor pode ser
analisado no domínio do tempo ou da frequência a fim de procurar características nos sinais
que estão associadas aos fenômenos mecânicos estudados.
O objetivo do presente trabalho é avaliar a integridade da superfície de peças após a
retificação mecânica para diferentes condições de corte utilizando a técnica da impedância
eletromecânica.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Em trabalho recente, (Marchi, Baptista, Aguiar, & Bianchi, 2015) estudaram o efeito da
rugosidade da peça no processo de retificação plana, utilizando transdutores PZT e análise de
correlação com a impedância eletromecânica da peça, o que demonstrou o potencial para a
identificação da queima. A identificação do dano é feita comparando-se a impedância elétrica
do transdutor medida com a estrutura em uma condição inicial, considerada íntegra, com a
impedância medida após a estrutura ter sofrido um possível dano. Essa comparação é realizada
41
por meio de índices de falha métrica, o desvio da raiz média quadrática, RMSD (Root Mean
Square Deviation), e a métrica do desvio do coeficiente de correlação, CCDM (Correlation
Coefficient Deviation Metric).
3 MATERIAL E MÉTODOS
Os ensaios foram realizados utilizando uma retificadora plana tangencial, da fabricante
Mello modelo P36, para os ensaios em peças do aço ABNT N2711. Foi empregado um rebolo
abrasivo convencional de óxido de alumínio branco com especificação AA48K6V, com ligante
vitrificado e de baixa dureza com as dimensões: 290 x 25,4 x 76 mm. Os parâmetros de corte
utilizados na retificação foram: Velocidade de corte (Vs) de 36 m/s; Velocidade da mesa (Vw)
de 2,4 e 5,0 m/min; Penetração radial do rebolo (ae) de 10, 25 e 50 µm. Esses parâmetros foram
combinados para obter diferentes espessuras equivalentes de corte. A impedância
eletromecânica foi medida antes e após a usinagem utilizando diafragmas piezelétricos de baixo
custo, modelo 7BB-25-3, do fabricante Murata, fixados sobre as extremidades das peças,
conectados a uma placa de aquisição de dados, modelo USB-6221 da National Instruments. Um
sinal chirp com frequência de até 125 kS/s foi aplicado à peça e os sinais foram coletados a 250
kS/s pela placa de aquisição. Os ensaios EMI foram feitos em laboratório sob temperatura
controlada de 23°C e com isolação de vibrações através do posicionamento sobre espumas. Os
índices de dano RMSD e CCDM foram calculados a partir das medições EMI antes e após a
usinagem para cada peça. Esses índices foram obtidos para diferentes bandas de frequências e
procurou-se uma banda que apresentasse uma tendência crescente de acordo com a acréscimo
da espessura equivalente de corte.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 1 apresenta os índices CCDM calculados a partir da parte real da impedância
eletromecânica para a banda de frequência 65-75 kHz para diferentes valores de heq obtidos no
processo da retificação. É possível observar que, para esta banda, quanto maior o valor da
espessura equivalente de corte utilizada no processo da retificação, maior é o valor do índice
CCDM. De fato, o parâmetro heq está relacionado com a espessura física de material que está
sendo removido no processo da retificação. Portanto, a banda de frequência apontada neste
estudo é sensível à esta variação de espessura do material: quanto maior a espessura de material
removido, maior é o índice obtido pelos sinais elétricos coletados pelos PZT. Por isso, é
possível afirmar que esta banda está diretamente relacionada à severidade dos ensaios de
retificação para as condições de testes especificadas.
Figura 1 – Índice CCDM para a banda de frequência de 65-75 kHz
sob diferentes espessuras equivalentes de corte (heq).
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,017 0,028 0,035 0,058 0,116
Índ
ice
CC
DM
heq (µm)
42
De acordo com (Almeida et al., 2015), a parte real da impedância é preferível, pois é
mais sensível aos danos ou mudanças da integridade estrutural e menos sensível às mudanças
de temperatura, quando comparada à parte imaginária.
5 CONCLUSÕES
Atualmente, o uso da técnica da impedância eletromecânica é muito difundido em
diversas áreas. Porém, quando se trata do processo de usinagem por abrasão, não há uma
metodologia bem definida para a realização de ensaios laboratoriais e o único estudo existente
é o trabalho de (Marchi et al., 2015), que aborda a detecção da queima durante o processo de
retificação na presença de diversos fatores que, possivelmente, influenciaram nas medidas. O
presente trabalho apresentou alguns resultados parciais, em que a impedância eletromecânica
foi estudada em ambiente controlado, com a tentativa de isolar as diferentes variáveis que
afetam o processo e analisar individualmente a influência que a espessura equivalente de corte
(heq) possui sobre as medições EMI. O parâmetro heq é de extrema importância para o processo
da retificação e, com o monitoramento do processo utilizando o método EMI, foi possível obter
informações deste parâmetro através da medição indireta utilizando sensores de baixo custo.
Para as condições descritas neste trabalho, os índices CCDM dos sinais obtidos da EMI
calculados na banda de frequência 65-75 kHz apresentaram uma relação direta com a espessura
equivalente de corte dos ensaios de usinagem. Estudos futuros serão realizados, investigando
outras bandas de frequências para as partes real, imaginária e módulo da impedância
eletromecânica. Ainda, outros parâmetros mecânicos serão analisados a fim de serem
relacionados com as medições EMI.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Almeida, V. A. D., Baptista, F. G., & Aguiar, P. R. (2015). Piezoelectric Transducers Assessed
by the Pencil Lead Break for Impedance-Based Structural Health Monitoring. IEEE Sensors
Journal, 15(2), 693–702. https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2352171
Baptista, F. G., & Filho, J. V. (2009). A new impedance measurement system for PZT-based
structural health monitoring. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 58(10),
3602–3608.
Marchi, M., Baptista, F. G., Aguiar, P. R., & Bianchi, C. E. (2015). Grinding process
monitoring based on electromechanical impedance measurements. Measurement Science and
Technology, 26(4).
43
ARQUITETURA ORIENTADA A MICROSERVIÇOS PARA APLICAÇÕES DE
INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL
Jeferson A. Bigheti
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Eduardo P. Godoy
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba
RESUMO
A Industria 4.0 (I4.0) é um novo conceito de produção que demanda o uso conjunto de
tecnologias de automação industrial e da informação visando a obtenção de maior eficiência,
qualidade e produtividade. A implementação da I4.0 está atrelada à aplicação de tecnologias
recentes como a Internet da Coisas Industrial (IIoT) e a Computação em Nuvem. Nesse
contexto, o paradigma da automação colaborativa através do uso e compartilhamento de
serviços proporciona uma arquitetura flexível, distribuída e integrada através de redes de
comunicação. Este trabalho foca na proposta de uma arquitetura orientada a serviços (SOA) em
nuvem para aplicações de IIoT. Uma revisão sobre SOA e sua aplicação industrial é
apresentada, bem como sobre a composição de serviços. A arquitetura baseada em
microserviços proposta é discutida, considerando suas características, detalhes operacionais,
vantagens e potencias de aplicação na área de IIoT.
PALAVRAS-CHAVE: Computação em nuvem, Microserviços, SOA, Sistema de controle via
rede.
1 INTRODUÇÃO
As indústrias estão mudando para melhorar seus processos e dessa forma obter uma
maior eficiência e qualidade dentro de menores custos e tempos. As máquinas já se comunicam
entre si e conosco utilizando o conceito da Internet das Coisas (IoT). Expressões como Big
Data, descentralização, virtualização, digitalização e IoT Industrial (IIoT) são conceitos
relacionados à Indústria 4.0, também chamada de Quarta Revolução Industrial, a qual
representa uma evolução dos sistemas produtivos atuais a partir da convergência entre novas
tecnologias de automação industrial e tecnologia da informação (TI) (LU, 2017). Na Industria
4.0 a maioria das tecnologias necessárias para a sua implementação já existem. Entre elas
podem-se citar o protocolo IPV6, os sistemas ciberfísicos (CPS – Cyber Physical System), o
RFID, o uso de virtualização de sistemas e serviços a partir de softwares, a IoT, a Computação
em nuvem (Cloud Computing) e Big Data (ZUEHLKE, 2010; STANKOVIC, 2014, LEE et al.,
2015, HEGAZY & HEFEEDA, 2015).
O grande desafio, portanto, é promover a integração entre essas tecnologias, visando a
obtenção de uma nova realidade produtiva, onde tudo estará conectado para que as melhores
decisões de produção, custo e segurança sejam tomadas, sob demanda e em tempo real. Este
artigo apresenta uma proposta de Arquitetura Orientada a Microserviços (MOA) com o fra-
mework Moleculer para automação de processos com o uso da tecnologia IIoT. O grande
desafio desta abordagem é promover a integração entre as tecnologias da automação com as de
TI, equipamentos e sistemas alocados em diferentes níveis hierárquicos dos sistemas
industriais. Nesse sentido, um paradigma recente tem sido o da automação colaborativa através
do uso e compartilhamento de serviços para obtenção de uma arquitetura flexível, escalável,
interoperável, distribuída e totalmente integrada através de redes industriais (JAMMES et al.,
44
2014). Diante desse contexto, esta pesquisa foca no estudo e o desenvolvimento de uma
arquitetura em nuvem baseada em serviços para aplicações de IIoT.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Soluções baseadas em Ethernet Industrial permitem ao usuário a integração dos
equipamentos industriais à serviços de TI fornecidos por servidores (DECOTIGNIE, 2005).
Dessa forma, tornou-se possível disponibilizar informações provenientes dos sistemas de
automação através de protocolos com suporte ao Ethernet TCP/IP em aplicações Web. Essa
interconexão de dados e infraestruturas de rede de TI e de automação de forma segura e
confiável representa uma tendência para o desenvolvimento de soluções inovadoras e
integradoras na área industrial com a IIoT e a Indústria 4.0 (LU, 2014).
Processos industriais, bem como muitas outras infraestruturas críticas dependem de
sistemas SCADA e SDCD para executar suas funcionalidades complexas. A IIoT é
complementar a esses sistemas, utilizando as informações provenientes dos sistemas SCADA
e SDCD como fontes de dados. Sistemas SCADA tem foco em monitoramento e controle,
enquanto a IIoT busca analisar os dados para aumentar a produtividade e eficiência
(KULKARNI, 2016). Colombo et al. (2014) discutem o conceito de uma arquitetura de
automação baseada no uso da Computação em Nuvem e de serviços (Web Services) para
comunicação e realização das tarefas entre os diferentes componentes e equipamentos de um
sistema industrial. Os autores atestam que arquiteturas orientadas a serviço (SOA) são
consideradas um caminho promissor para concepção do modelo de fábrica do futuro.
No entanto, existe a necessidade e potencial para melhorar as funcionalidades e
minimizar problemas de integração através de abordagens colaborativas de sistemas e serviços
(COLOMBO et al., 2014). Nesse sentido é importante considerar os próximos passos para a
evolução dos sistemas industriais através da IIoT e Industria 4.0, de forma que consigam
atender os desafios recentes como grau de descentralização e independência dos sistemas.
Nesse sentido, a proposta de arquiteturas SOA possui grande potencial, a partir da
disponibilização de serviços em nuvem alocados em diferentes dispositivos, gateways ou
sistemas, os quais facilitam e padronizam as interações entre eles. Leitão et al. (2016)
apresentam um estudo sobre novas arquiteturas SOA para aplicações industriais.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Este artigo apresenta uma nova proposta de arquitetura orientada a microserviços
(MOA) para aplicações de IIoT. A arquitetura usa como base o framework Moleculer e discute
o desenvolvimento de diferentes microserviços para realização de atividades relacionadas à
IIoT. Esta proposta de arquitetura busca suportar as seguintes aplicações relacionadas à IIoT a
partir da criação de serviços de: aquisição de dados (DAQ), monitoramento remoto
(dashboard), otimização (KPIs), controle de processo, identificação de sistemas, detecção de
falhas ou anomalias e mecanismos de redundância. No entanto, a arquitetura pode ser
facilmente expandida, através da criação de novos serviços, para permitir novas aplicações
como virtualização, simulação de sistemas, segurança da informação, realidade aumentada e
análise de dados usando técnicas de Big Data.
O principal componente operacional da arquitetura MOA é o Service Broker, que é o
responsável pela configuração dos nós como: nome, opções de comunicação, registro de
(micro) serviços, descoberta automática de serviços, cache de variáveis, entre outros recursos.
45
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A arquitetura MOA proposta oferece os seguintes benefícios de aplicação: 1. Aumento
da resiliência: usando microserviços toda a aplicação é descentralizada e desacoplada em
serviços que atuam como entidades separadas. 2. Escalabilidade: A escalabilidade é um aspecto
chave dos microserviços. Como cada serviço é um componente separado, permite-se expandir
uma única funcionalidade (ação) ou serviço sem ter que dimensionar toda uma aplicação. 3.
Disponibilidade: os serviços críticos para a aplicação podem ser implantados em vários nós ou
servidores para aumentar a disponibilidade e o desempenho de um serviço sem impactar o
desempenho de outros serviços. 4. Flexibilidade de desenvolvimento: usando microserviços, o
desenvolvimento da aplicação não fica limitado a um único software ou linguagem. Dessa
forma, é possível escolher a ferramenta certa para cada tarefa. 5 – Facilidade de
desenvolvimento e modularidade: a criação dos microserviços é mais simples e rápida por
executarem funcionalidades específicas, fornecendo maior modularidade para a aplicação.
5 CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou uma revisão sobre SOA e sua aplicação industrial e discutiu as
características e vantagens de uma proposta de arquitetura orientada a microserviços em nuvem
para aplicações de IIoT. A integração das tecnologias de automação e TI usando uma
arquitetura SOA permitirá o uso e compartilhamento de microserviços para obtenção de uma
arquitetura flexível, escalável, interoperável, distribuída e conectada em rede.
Testes operacionais iniciais da arquitetura já foram realizados com a implementação dos
microserviços de Controle, M2M, Gateway e Supervisão, validando a proposta e demonstrando
seu potencial para aplicações de IIoT. Trabalhos futuros focarão na avaliação do desempenho
dessas aplicações e no desenvolvimento dos outros microserviços propostos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
COLOMBO, A. W, KARNOUSKOS, S. BANGEMANN, T. (2014). Towards the Next
Generation of Industrial Cyber-Physical Systems, In: Bangemann, T. et al. (eds), Ch 1.
Springer International Publishing, Switzerland, pp. 01–22.
DECOTIGNIE, J. D. (2005). Ethernet-based real-time and industrial communications.
Proceedings of the IEEE, v. 93, n. 6, pp. 1102-1117.
HEGAZY, T. AND HEFEEDA, M. (2015). Industrial Automation as a Cloud Service, IEEE
Transactions on Parallel and Distributed Systems, v. 26, n. 10, pp. 2750-2763, Oct. 1.
JAMMES, F., KARNOUSKOS, S., BONY, B., NAPPEY, P., COLOMBO, A. W., DELSING,
J., ELIASSON, J., KYUSA-KOV, R., STLUKA, P., TILLY, M., BANGEMANN, T. (2014),
"Promising Technologies for SOA based Industrial Automation Systems", Industrial Cloud
based Cyber Physical Systems: The IMC AESOP Approach. A. W. Colombo et al. (eds.),
Springer, pp. 89-109.
LEE, J.; BAGHERI, B. AND KAO, H. (2015). A Cyber-Physical Systems architecture for
Industry 4.0-based manufacturing systems”, Manufacturing Letters, v. 3, January 2015, pp.
18-23.
46
UTILIZAÇÃO DE REDES NEURAIS CONVOLUCIONAIS PARA A DETECÇÃO E
CLASSIFICAÇÃO DE PLANTAS DANINHAS
Luiz Carlos Marques Junior
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. José Alfredo Covolan Ulson
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Técnicas de Inteligência Artificial vêm sendo aplicadas em diversas áreas, dentre essas técnicas
destacam-se as Redes Neurais Convolucionais (Convolutional Neural Networks) e entre as
aplicações uma das mais promissoras é na área de agricultura de precisão. Dentre os ramos de
pesquisa da agricultura de precisão, temos a detecção e o correto manejo de plantas daninhas.
Neste trabalho redes neurais convolucionais foram utilizadas para a detecção e classificação de
imagens nas classes de soja, solo, plantas daninhas de folha larga e folha estreita, dessa maneira
possibilitando a correta aplicação de defensivos agrícolas ou extração mecânica das plantas
daninhas.
PALAVRAS-CHAVE: Agricultura de precisão, Inteligência Artificial, Redes Neurais
Convolucionais
1 INTRODUÇÃO
Arquiteturas de aprendizagem profunda têm alcançado resultados expressivos, com alta
precisão para tarefas que vão desde reconhecimento de fala à classificação de imagens. Como
destaque temos os resultados obtidos por Krizhevsky [5] em 2012 no Imagenet Large Scale
Visual Recognition Challenge (ILSVRC) [2]. Desde então Redes Neurais Convolucionais
(Convolutional Neural Networks), têm atingido índices de precisão cada vez maiores, ano após
ano em tarefas que incluem reconhecimento de padrões, classificação e detecção de imagens.
Desta maneira, as Redes Neurais Convolucionais aparecem como uma solução com
grande potencial. O uso de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) associados a telefones
celulares com alta capacidade fotográfica pode produzir informação visual com alto valor
agregado para tomada de decisões. Neste artigo algumas das principais arquiteturas de redes
neurais convolucionais são abordadas, para realizar a classificação de espécies vegetais no
contexto da cultura de soja, mais especificamente propõe-se efetuar a distinção entre a soja,
plantas daninhas de folha larga e estreita e o solo. Assim, por meio desta classificação poder-
se-á executar o trato cultural de maneira (aplicação de defensivos) sustentável e econômica.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Após o aprimoramento genético das culturas agrícolas, a agricultura de precisão, que
envolve o uso de Internet das Coisas (Internet of Things) e outras ferramentas de vanguarda da
Tecnologia da Informação, como aprendizado de máquina (Machine Learning) e Big Data são
consideradas a próxima grande revolução agroindustrial. Neste campo fértil de pesquisas,
diversas são as aplicações de redes neurais convolucionais. Para este trabalho o foco está na
detecção de plantas daninhas, sendo que 3 trabalhos se sobressaem pela sua originalidade e
contribuição para esta área de pesquisa.
47
Dyrmann (2017) [4] apresenta-se como um dos precursores do uso de redes
convolucionais para a detecção de plantas daninhas, em sua dissertação de Phd em 2017 o autor
fez a detecção de diversas espécies de plantas daninhas sob diferentes níveis de iluminação e
sobreposição de folhas, ainda propondo uma arquitetura própria de rede neural convolucional.
Dos Santos Ferreira (2017) [3], em sua dissertação de mestrado fez uso das redes neurais
convolucionais para a classificação entre soja, solo e plantas daninhas de folha larga e folha
estreita. Em sua pesquisa o autor criou um banco de imagens com mais de 15.000, além de ter
realizado a coleta das imagens em RGB com um VANT DJI Phanton3. O trabalho destaca-se
principalmente por ser uma das primeiras pesquisas usando redes convolucionais para a
detecção e classificação de plantas daninhas no Brasil.
Milioto et al (2018) [6], realizou um dos trabalhos mais recentes com redes
convolucionais, o autor faz uso de uma técnica denominada segmentação semântica (Semantic
Segmentation), além de ter feito uso de imagens em RGB, para a detecção de plantas daninhas.
O principal diferencial desta pesquisa foi a capacidade da detecção, classificação e eliminação
das plantas daninhas em tempo real, por meio de uma plataforma denomina Bonirob da
fabricante Bosch. Para este trabalho o banco de imagens criado por dos Santos Ferreira, será
utilizado para treinar e validar diferentes arquiteturas de redes neurais convolucionais.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Visando atingir os objetivos propostos, quatro arquiteturas de redes neurais
convolucionais foram empregadas, para identificar e classificar nas classes planta daninha de
folha larga, planta daninha de folha estreita, solo e soja, a partir de um banco de imagens geradas
por dos Santos Ferreira, que contem imagens de folhas de soja, plantas daninhas e solo. Para
isso diferentes arquiteturas de redes neurais convolucionais que obtiveram resultados
expressivos em competições de classificação de imagens foram utilizadas.
O banco de imagens para o treinamento e validação das arquiteturas de redes neurais foi
produzido por dos Santos Ferreira, em sua dissertação o autor segmentou cerca de 15.336
imagens no formato TIFF, contendo 4 classes cada, sendo 3.249 solo, 7.376 soja, 3.520 plantas
daninhas de folha estreita, 1.191 plantas daninhas de folha larga. Nesta pesquisa para a
comparação e validação das arquiteturas de redes neurais propostas será utilizado este banco de
imagens.
Para realizar os experimentos o banco de imagens original foi reduzido, ao total foram
utilizadas 1.564 imagens divididas igualmente entre as 4 classes para a etapa de treinamento e
400 imagens dividias em 100 imagens por classe para a validação, inicialmente todas as
arquiteturas foram treinadas com o total de 20 épocas e taxa de aprendizagem de 0,0001.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Após o treinamento e validação das arquiteturas, a rede Resnet50 apresentou o pior
resultado com 34,75% de precisão de validação para o conjunto de 100 imagens. Após a
primeira etapa de treinamento 2 redes apresentaram bons resultados, VGG16 cuja menor
precisão foi de 90% para plantas daninhas de folha estreita e Xception, cujo resultado com
menor precisão foi de 79% para solo, em relação a precisão de validação destas redes nesta
primeira etapa a rede VGG16 apresentou uma precisão de validação para o conjunto de 100
imagens de 93,50% e a rede Xception de 91,00%.
Portanto ambas as arquiteturas foram selecionadas para serem treinadas com 40 épocas,
mantendo o tamanho do banco de imagens utilizado e taxa de aprendizagem. Os resultados de
validação são apresentados a seguir na figura 1.
48
Matrizes de Confusão Arquitetura VGG16 e Xception com 40 épocas de treinamento
5 CONCLUSÕES
Assim como na etapa anterior a arquitetura de rede VGG16 apresentou melhores
resultados que a Xception, tendo uma precisão de validação de 96,50% e acertando 100% na
predição da categoria solo contra 79% da Xception. É importante mencionar que para validar a
robustez destas arquiteturas o banco de dados utilizado foi reduzido consideravelmente,
comparado com o trabalho original de dos Santos Ferreira, dessa maneira demonstrando que
mesmo com um conjunto de dados menor resultados expressivos foram alcançados.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]CHOLLET, FRONÇOIS. Keras. Github, 2015. Disponível em:<https://github.com/fchollet/keras>. Acesso em:
15 maio 2018.
[2]DENG, J., DONG, W., SOCHER, R., LI, L.-J., LI, K., E FEI-FEI, L. (2009). ImageNet: A Large-Scale
Hierarchical Image Database. CVPR09. 2009.
[3]DOS SANTOS FERREIRA, A.; FREITAS, D.M.; DA SILVA, G.G.; PISTORI, H.; FOLHES, M.T. Weed
detection in soybean crops using ConvNets. Comput. Electron. Agric. 2017, V.143, p.314–324. Out.2017.
[4]DYRMANN MADS. Automatic Detection andClassification of Weed Seedlings under Natural Light.
University of Southern Denmark. Phd Thesis, 2017.
[5]KRIZHEVSKY, A., SUTSKEVER, I., E HINTON, G. E. Imagenet classification with deep convolutional
neural networks. Advances in Neural Information Processing Systems, p 1097–1105. Curran Associates, Inc.
2012.
[6]MILIOTO, A., LOTTES, P., STACHNISS, C. Real-time Semantic Segmentation of Crop and Weed for
Precision Agriculture Robots Leveraging Background Knowledge in CNNs. IEEE Int. Conf. on Robotics &
Automation (ICRA) , 2018.
[7]REN, S., HE, K., GIRSHICK, R., E SUN, J. Faster r-cnn: Towards real-time object detection with region
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[8]SIMONYAN, K. E ZISSERMAN, A. Very deep convolutional networks for large-scale image regognition.
IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR14. 2014
[9]SZEGEDY, C., LIU, W., JIA, Y., SERMANET, P., REED, S., ANGUELOV, D., ERHAN, D., VANHOUCKE,
V., E RABINOVICH, A. Going deeper with convolutions. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern
Recognition (CVPR). 2015.
[10]SZEGEDY, C., IOFFE, S., E VANHOUCKE, V. Inceptionv4, inception-resnet and the impact of residual
connections on learning. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR).2016.
49
MONITORAMENTO DA PRODUÇÃO E DA EFICIÊNCIA DE PROCESSOS DE
MANUFATURA USANDO RFID E INTERNET DAS COISAS
Heverton Bacca Sanches
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Eduardo Paciência Godoy
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Uma tendência recente no ambiente industrial tem sido a utilização conjunta da Identificação
por Rádio Frequência (RFID) e a da Internet das Coisas (IoT) na busca da melhoria dos seus
processos de manufatura. É um desafiante promover a integração entre essas tecnologias
permitindo que os dados estejam disponíveis sob demanda e em tempo real para que as
melhores decisões de produção sejam alcançadas. A proposta deste trabalho utiliza o RFID e a
IoT para o desenvolvimento de uma solução para o monitoramento da produção e da eficiência
de um sistema de manufatura flexível (FMS). O desenvolvimento do projeto consiste em três
etapas: aquisição dos dados RFID, processamento para obtenção dos parâmetros de produção e
eficiência requeridos e disponibilização em nuvem para a IoT.
PALAVRAS-CHAVE: RFID, Internet of Things, FMS, Manufatura.
1 INTRODUÇÃO
A Internet das Coisas, atrelada à automação, é uma maneira eficaz de monitorar e
controlar a produção num sistema de manufatura em tempo real. Em um sistema de manufatura
flexível (Flexible Manufacturing System - FMS), os requisitos de produção podem mudar
rapidamente. Sendo assim, informações em tempo real podem otimizar o gerenciamento das
operações e resolver os problemas operacionais de forma antecipada, minimizando a ocorrência
de erros ou desvios no objeto da manufatura (NGAI et al., 2012). Lu et al. (2006) usam um
sistema de RFID para identificar os insumos do sistema de manufatura, e assim planejar a
produção, operação e qualidade do produto final. Ngai et al. (2012) mensuram a produtividade
dos empregados de uma empresa têxtil com a implementação de um processo de manufatura
baseado em RFID.
2 METODOLOGIA
Este projeto visa desenvolver um sistema que integre as tecnologias de RFID e IoT para
monitoramento da produção e da eficiência de um sistema de manufatura flexível. A proposta
de desenvolvimento do projeto pode ser resumida em três etapas: aquisição dos dados RFID,
processamento dos mesmos para obtenção dos parâmetros de produção e eficiência requeridos
do processo de manufatura e disponibilização dos dados em nuvem para a IoT.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU DISCUSSÕES
A essência da IoT é o princípio básico da I4.0 (Industria 4.0) para proporcionar
autonomia e colaboração para os sistemas de manufatura por meio da comunicação entre
máquinas e sistemas. Desta forma, uma fábrica inteligente pode criar redes colaborativas que
se comunicam e controlam umas às outras de forma descentralizada (ZUEHLKE, 2010). Neste
50
cenário as máquinas e produtos se comunicam para identificar as operações a serem executados
durante o processo de manufatura, principalmente com o uso do RFID.
Na I4.0 as máquinas são conectadas de forma colaborativa, demandando a utilização de
novas tecnologias que possam analisar dados sistematicamente e transformá-los em
informações. Portanto, a I4.0 necessita utilizar os recursos e serviços baseados na IoT
suportados por uma infraestrutura de Computação em Nuvem para atender os requisitos e
demandas relacionados a este novo conceito de fábrica inteligente (KANG et al., 2016).
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O uso proposto neste projeto para a tecnologia RFID, para o monitoramento do tempo
de produção e de transporte de peças e da eficiência de um sistema flexível de manufatura
(FMS), através de etiquetas fixadas em pallets de movimentação da esteira, se diferencia da
tradicional aplicação do RFID para identificação e demonstra a flexibilidade de uso e potencial
de inovação/aplicação dessa tecnologia em sistemas de manufatura. O uso do RFID se mostrou
eficiente e adequado, permitindo a leitura e identificação das etiquetas alocadas nos pallets e
peças do FMS, de forma confiável e na velocidade requerida, e viabilizando o cálculo do tempo
de produção da peça na estação analisada.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
KANG, H. ; LE, M. ; TAO, S. (2016). Container and Microservice Driven Design for Cloud
Infrastructure DevOps. 2016 IEEE International Conference on Cloud Engineering (IC2E).
NGAI, E.W.T.; CHAU, D.C.K.; POON, J.K.L.; CHAN, A.Y.M.; CHAN, B.C.M.; WU,
W.W.S. (2012). Implementing an RFID-based manufacturing process management
system: Lessons learned and success factors, Journal of Engineering and Technology
Management, Volume 29, Issue 1, January–March 2012, Pages 112130.
ZUEHLKE, D. (2010). Smart Factory—Towards a factory-of-things, Annual Reviews in
Control, Volume 34, Issue 1, April 2010, Pages 129-138.
51
UM MODELO PARA A APLICAÇÃO DA INTERNET DAS COISAS INDUSTRIAL
Israel V. Ferreira
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Eduardo P. Godoy
Orientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO
A Indústria 4.0 é um novo conceito que representa uma evolução dos sistemas produtivos atuais
a partir da convergência entre novas tecnologias de automação industrial e tecnologia da
informação. Nesse contexto, a Internet das Coisas Industrial (IIoT) se destaca pela evolução na
comunicação entre sistemas e equipamentos, disponibilizando para os usuários diversas
informações úteis para o gerenciamento e aperfeiçoamento dos sistemas de produção. Este
trabalho apresenta uma proposta e descreve os primeiros resultados de um modelo para
aplicação da IIoT, usando soluções de código aberto (open source).
PALAVRAS-CHAVE: Industria 4.0, Internet das Coisas, Sistemas Embarcados.
1 INTRODUÇÃO
A Indústria 4.0, também chamada de Quarta Revolução Industrial, é um novo conceito
que representa uma evolução dos sistemas produtivos atuais a partir da convergência entre
novas tecnologias de automação industrial e tecnologia da informação (TI)
(WOLLSCHLAEGER et al., 2017).
Uma das tecnologias base para este conceito é a Internet das Coisas (IoT)
(STANKOVIC, 2014). A IoT contempla a conexão lógica de todos os dispositivos e meios
relacionados ao ambiente produtivo em questão como os sensores, controladores,
computadores, células de produção, sistema de planejamento produtivo, sendo todas as
informações compartilhadas através de bancos de dados.
Diante desse contexto, esta proposta objetiva criar um modelo, através da integração de
hardware e software, para aplicação da IoT industrial.
2 REVISÃO DA LITERATURA
O modelo proposto é fundamentado numa arquitetura de IoT baseada em gateway e
numa estrutura de camadas e protocolos apresentada por Weirich e Ebert (2016).
Figura 5 - Estrutura de Camadas e Protocolos para IoT (Wierich e Ebert, 2016).
O modelo proposto é composto de dispositivos capazes de se comunicar utilizando
protocolos padronizados, monitorar e controlar uma planta industrial. Os protocolos de
52
comunicação definidos para aplicação, foram o Modbus TCP/IP, o MQTT, o CoAP e
protocolos da Internet como TCP/IP e HTTP.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Figura 6 - Modelo proposto para a aplicação da IIoT.
Os dispositivos que compõe o modelo proposto para aplicação da IIoT são o módulo
gateway e os módulos remotos. O módulo central não foi desenvolvido nesse trabalho.
Uma Raspberry PI 3 foi utilizada como módulo gateway, devido ao fato de já possuir
WiFi de forma nativa, eliminando a necessidade de um roteador. Configurou-se a Raspberry PI
3, rodando uma distribuição personalizada do Linux chamada Raspbian (baseada no Debian),
para funcionar como ponto de acesso WiFi. Deste modo, os módulos remotos podem se
conectar a ela diretamente via WiFi, possibilitando a troca de informações entre os módulos,
através de um dos protocolos suportados (Modbus TCP/IP, MQTT ou CoAP).
Foi desenvolvido um software em Node JS para ser executado no módulo gateway, com
a finalidade de aquisição de dados dos dispositivos remotos, armazenamento destes dados em
um banco de dados e distribuição destes dados através de uma API REST HTTP. Juntamente o
software desenvolvido nesse projeto, este módulo hospeda o servidor do OpenPLC, um
software livre que possibilita a programação de módulos (remotos) em linguagens de
programação de CLP padronizadas pela IEC-61131-3, através do PLCOpen Editor. A
programação é enviada ao sistema através de um upload feito em uma página web, hospedada
e provida pelo próprio sistema embarcado.
Para os módulos remotos foram utilizadas placas ESP8266 modelo NodeMCU. Foi
utilizada a IDE do Arduino para programação das placas ESP8266.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A comunicação entre os módulos remotos e o módulo gateway foi testada. Os estados
das portas de I/O foram requisitados pela aplicação desenvolvida em Node.js e armazenados no
banco de dados MySQL. Comparou-se o uso de recursos do sistema em diversas situações de
operação e com isso foi possível encontrar os limites de operação do módulo gateway.
Em um primeiro experimento o módulo gateway foi configurado para executar a
requisição dos dados dos módulos remotos a cada segundo. Foi adicionada uma nova conexão
com um módulo remoto a cada 100 segundos, enquanto o uso de recursos do sistema
(processamento e memória utilizada) era monitorado através de uma rota da API REST por um
53
programa desenvolvido no software LabView da National Instruments. Os dados obtidos foram
exportados para uma planilha e o gráfico da Figura 7 a) foi gerado a partir desses dados. Um
segundo experimento foi realizado com o período entre cada requisição aos módulos remotos
aumentado de 1 para 10 segundos. Os dados obtidos estão exibidos no gráfico da Figura 7 b).
Figura 7 - Uso de recursos do sistema para módulos remotos com
período de atualização de 1s em a) e 10s em b).
Com requisições a cada segundo sendo enviadas aos módulos remotos para obtenção
dos dados, o gateway suportou três módulos remotos conectados simultaneamente. Quando o
período entre cada requisição aos módulos remotos foi aumentado para dez segundos, o
gateway suportou 25 módulos remotos simultâneos antes de apresentar problemas. O problema
apresentado nos dois casos foi de incapacidade de acesso ao banco de dados para inserção de
novos valores.
5 CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou e descreveu o desenvolvimento de uma proposta de modelo
para aplicação da Internet das Coisas Industrial. O modelo para aplicação da IIoT é
fundamentado numa arquitetura de camadas de dispositivos e protocolos aderentes aos
requisitos da aplicação da IoT no meio industrial. O diferencial do modelo é a grande integração
entre as tecnologias de informática e automação, de forma que são permitidas não somente
funcionalidades de aquisição e análise dos dados industriais, mas também a programação e
supervisão dos processos de acordo com padrões industriais (IEC 61131-3).
Os resultados apresentados validam esta proposta e demonstram o potencial do modelo
para a IIoT apresentado. O software desenvolvido para este projeto, juntamente com o
OpenPLC, não apresentou problemas de execução no hardware embarcado e a comunicação
implementada entre os módulos remotos e o gateway se mostrou eficiente e confiável dentro
dos limites de operação do dispositivo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
STANKOVIC, J.A., Research Directions for the Internet of Things, in Internet of Things
Journal, IEEE, vol.1, no.1, pp.3-9, Feb. 2014.
WEYRICH, M.; EBERT, C. Reference Architectures for the Internet of Things, in IEEE
Software, vol. 33, no. 1, pp. 112-116, Jan.-Feb. 2016.
WOLLSCHLAEGER, M.; SAUTER, T.; JASPERNEITE, J. The Future of Industrial
Communication: Automation Networks in the Era of the Internet of Things and Industry
4.0, IEEE Industrial Electronics Magazine, vol.11, pp.17-27, 2017.
54
APLICAÇÃO DO LQR NO CONTROLE DE POSIÇÃO DE UM ESTRUTURA
FLEXÍVEL GIRANTE
David C. Andrade
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. José Manoel Balthazar
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
O presente trabalho, apresentado no VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica
da UNESP Campus Bauru, tem por objetivo apresentar os resultados da aplicação do LQR no
controle de posição de uma estrutura flexível girante. A modelagem utilizada foi referenciada
do trabalho de Janzen et al.(2015), que por sua vez aplicou a técnica de controle ótimo não-
linear SDRE. Os resultados bem como as limitações da abordagem proposta são discutidos ao
longo do trabalho.
PALAVRAS-CHAVE: Controle ótimo, estruturas flexíveis, LQR.
1 INTRODUÇÃO
O uso de ligas flexíveis em sistemas robóticos e estruturas aeroespaciais têm sido
explorado devido às características vantajosas do material. Neste sentido, destacam-se o custo
efetivo do lançamento, baixo consumo de energia e baixo consumo de material, reduzindo,
consequentemente, a massa e a rigidez. A principal desvantagem desse material é o aumento
da amplitude da vibração e a redução da destreza em comparação com os materiais não flexíveis
(JANZEN et al., 2015).
A aplicação de Ligas com Memória de Forma (SMA) pode reduzir a intensidade das
vibrações causadas pela flexibilidade do material. Compostos híbridos de memória de forma
apresentam características favoráveis ao controle da estrutura como a modificação modal ativa
e alto amortecimento (JANZEN et al., 2015).
2 REVISÃO DA LITERATURA
De acordo com Tokhi e Azad (1996), dois fatores que dificultam o controle de estruturas
flexíveis são: o controle de torque, que só pode ser aplicado nos nós do sistema e o número
limitado de sensores que podem ser aplicados a este tipo de estrutura.
Alguns trabalhos têm sido desenvolvidos com o intuito de suprimir as vibrações em
estruturas flexíveis, reduzindo os efeitos negativos da flexibilidade nos sistemas de controle.
Garcia e Inman (1990) propõe o controle ativo das vibrações aplicando atuadores piezoelétricos
na estrutura. Esses tipos de atuadores são denominados atuadores inteligentes.
Outros tipos de materiais inteligentes aplicados são os fluídos eletro reológicos e
magneto reológicos e as Ligas com Memória de Forma (Sohn et al., 2009).
De acordo com Wei et al. (1998), o atuador SMA tem um alto coeficiente de
amortecimento e muda os modos de vibração naturais das estruturas onde eles são acoplados.
Várias técnicas de controle têm sido aplicadas com o SMA, como o PID e suas variações
apresentado por Ge et al. (2006), e controladores não-lineares (ELAHINIA, 2004; JANZEN,
2016).
55
3 MATERIAL E MÉTODOS
Neste trabalho, será realizada uma abordagem com a linearização do sistema
apresentado em Janzen et al.(2015) e Janzen et al.(2015). A técnica de controle ótimo não linear
SDRE (State Dependent Ricatti Equation) é substituída pela técnica de controle ótimo linear
LQR.
O projeto de um Regulador Quadrático Linear (LQR) tem como característica principal
a minimização de um índice de desempenho quadrático, sujeito a satisfação da modelagem de
um sistema de equações linearizado. O que representa a aplicação mais fundamental do
princípio mínimo de Pontryagin para sistemas dinâmicos lineares, e pode ser visto como um
pilar da teoria de controle de sistemas dinâmicos (JUNKINS, 1993).
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Em Janzen et al.(2015) as condições iniciais para a simulação são 1 0x ,
2 0x , 3 0x ,
4 0x e 5 0x . No entanto, com as mesmas condições iniciais, não é possível atender ao critério
de controlabilidade apresentado em Erro! Fonte de referência não encontrada., para tanto o
valor a condição inicial do estado 3x foi alterada para
3 2x possibilitando a aplicação do LQR.
Os estados desejados x
e as matrizes Q e R foram extraídas de [1].
* 4
1 0 0 0 00
0 1 0 0 01
, 10 10 0 1 0 00
0 0 0 1 00
0 0 0 0 1
x Q e R
(1)
Os resultados da simulação são demonstrados na sequência. A Fig. 1. apresenta o
comportamento da corrente de armadura do motor CC acoplado mecanicamente a haste.
Fig. 1. Corrente da armadura do motor CC.
Conforme Fig. 2, a haste alcança o estado desejado da posição angular com cerca de 7s,
em [1] o mesmo resultado foi obtido com cerca se 6s.
56
Fig. 2. Posição angular da haste.
A velocidade angular da haste durante a simulação é ilustrada na Fig. 3. O estado atinge
o máximo de 0,55 rad/s em 0,95s e decresce até a estabilização da posição da haste.
Fig. 3. Velocidade angular da haste.
A amplitude do primeiro modo de vibração está ilustrada na Fig. 4. A haste atinge o
deslocamento máximo de 3,2cm no momento mais crítico de vibração.
Fig. 4. Amplitude do primeiro modo de vibração.
Fig. 5 ilustra a velocidade do primeiro modo de vibração que tem maior amplitude no
57
início da simulação e tende a zero no regime permanente do sistema.
Fig. 5. Velocidade do primeiro modo de vibração.
5 CONCLUSÕES
Em complemento aos trabalhos de referência onde o controlador ótimo não linear SDRE
foi aplicado no controle de posição de uma estrutura flexível girante. No trabalho apresentado
o modelo foi linearizado para possibilitar a aplicação do LQR que também trabalha com a
minimização da função custo.
Os resultados obtidos se assemelham aos apresentados na bibliografia referenciada.
Além da técnica de controle, a diferença entre as respostas do sistema também está relacionada
com a linearização do modelo. Contudo, a estratégia apresentada se restringe a uma faixa de
operação do modelo não linear.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ELAHINIA, M. Effect of system dynamics on shape memory alloy behavior and control. 2004.
GARCIA, E.; INMAN, D.J. Advantages of slewing and active structure. JOURNAL OF INTELLIGENT
MATERIAL SYSTEMS AND STRUCTURES, 1(3):261-272. 1990.
GE, S.S. et al. Tracking and vibration control of flexible robots using shape memory alloys. IEEE/ASME
TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, 11(6):690-698. 2006.
JANZEN, F.C.; TUSSET, A.M.; PICCIRILLO, V.; BALTHAZAR, J.M.; BRASIL, R. Motion and vibration
control of a slewing flexible strucuture by SMA actuators and parameter sensivity analysis. THE EUROPEAN
PHYSICAL JOURNAL SPECIAL TOPICS, v. 224, p. 3041-3054, 2015.
JANZEN, F.C. Positioning and vibration control of a flexible structure in slewing motion by applying Shape
Memory Alloys. 2016. 82p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica). UNESP, 2016.
JUNKINS, J.L. Introduction to dynamics and control of flexible structures. AIAA, 1993.
SOHN, J. et al. Vibration and position tracking control of a flexible beam using SMA wire actuators. JOURNAL
OF VIBRATION AND CONTROL. 15(2):263–281. 2009.
TOKHI, M.; AZAD, A. Collocated and non-collocated feedback control of flexible manipulator systems.
MACHINE VIBRATION, 5(3):170–178. 1996.
WEI, Z. et al. Shape-memory materials and hybrid composites for smart systems: Part i shape-memory materials.
JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE. 33(15):3743–3762. 1998.
58
ANALISE DINÂMICA DE UM SISTEMA MICRO CANTILEVER
Dailhane Grabowski Bassinello
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. José Manoel Balthazar
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Neste trabalho é realizada a análise dinâmica de um sistema micro eletromecânico MEMS do
tipo micro cantilever, com um grau de liberdade. Diferentes não linearidades em ressonadores
micro eletromecânicos levam a vários comportamentos não lineares, como o movimento
caótico, que podem afetar o funcionamento e desempenho do ressonador. Este sistema
considera uma placa fixas e uma placa móvel a qual é aplicada uma tensão V (t), tais placas
têm as funções de fornecer eletrodos para formar um capacitor e armazenar energia elétrica, e
de fornecer elasticidade ou rigidez mecânica. Os resultados são obtidos através de simulações
numéricas, sendo possível observar que para uma determinada faixa de parâmetros utilizados o
sistema apresenta um comportamento indesejável. A dependência térmica das características
do material é um importante fenômeno que afeta o movimento de sistemas micro ressonantes.
Amortecimento afeta fortemente a dinâmica, controle, desempenho e design do sistema micro
eletromecânico. A influência do amortecimento na dinâmica dos sistemas micro
eletromecânicos depende de suas condições de projeto e operação.
PALAVRAS-CHAVE: Não linear. Micro Cantilever. Analise Dinâmica. Não Linear.
1 INTRODUÇÃO
Sistemas micro eletromecânicos muitas vezes podem apresentar comportamento não
linear como o comportamento caótico, que podem afetar fortemente o funcionamento e o
desempenho do ressonador. Este trabalho tem como objeto analisar a dinâmica de um
ressonador micro eletromecânico com auxílio do software MATLAB ® para demonstrar o
comportamento não linear do sistema micro eletromecânico.
2 ESTADO DA ARTE
Os sistemas micro eletromecânicos são tipicamente sistemas transdutores que detectam
ou controlam grandezas físicas, ópticas ou químicas, como aceleração, radiação ou fluidos
Fischer et al. (2015). Os dispositivos de ressonância micro atuam como um capacitor paralelo,
no qual um eletrodo é fixo e outro é móvel. Eles são ativados eletricamente e seu movimento
pode ser detectado por mudanças capacitivas. Esse movimento do eletrodo móvel pode ser
convertido em um sinal elétrico na capacitância, que está relacionado à quantidade física a ser
medida Younis e Nayfeh (2003) e Tusset et. al. (2012).
Em sistemas micro eletromecânicos (MEMS), não-linearidades podem surgir de uma
variedade de fontes, como mecanismos de mola e amortecimento, e elementos de circuito
resistivos, indutivos e capacitivos Jazar et. al. (2009). Em várias aplicações de micro
ressonador, um comportamento não linear ou caótico pode ser indesejável, levando à falha do
dispositivo. Uma região não linear de detecção de micro ressonadores torna-se mais importante
para sistemas de projeto e desempenho Jazar et al. (2006).
59
3 MICRO CANTILEVER
O ressonador micro cantilever é acionado por meio de uma tensão aplicada, como pode
ser visto na figura 1. Na placa fixa do ressonador é aplicada uma tensão de corrente alternada
𝑉𝑖 sin(𝑤𝑡). A outra placa é móvel e tem uma massa 𝑚, à esta placa é aplicada a tensão DC 𝑉𝑝,
o suporte da placa é considerado como uma mola não linear em paralelo a um amortecedor. A
distância entre as placas 𝑑 é medida quando nenhuma tensão é aplicada e a frequência é zero.
Embora a estrutura flexível tenha muitos modos de vibrar, neste trabalho será
considerado o modelo com um grau de liberdade denotado por (𝑦), o movimento lateral da
placa móvel de massa (𝑚).
Figura 1: Ressonador micro cantilever MEMS (Jazar at. al. 2009).
A equação governante do movimento das placas é dada por:
𝑚 = −𝐹𝑘 − 𝐹𝑐 + 𝐹𝑒 . (1)
Onde, 𝐹𝑘 é a força conservativa da mola, 𝐹𝑐 amortecimento termo elástico e 𝐹𝑒 a força elétrica.
Realizando as substituições de 𝐹𝑒 na equação do movimento é possível reescrever a
equação em variáveis de estados:
1 = 𝑦2.
2 = −𝛼1𝑦1 − 𝛼3𝑦13 − 𝑏𝑦2 + 𝛽𝑉2
1
2(𝑑 − 𝑦1)2.
(2)
4 ANELISE DINÂMICA
Figura 2: Histórico deslocamento no tempo e o retrato de fase.
60
O modelo micro cantilever foi acionado eletricamente, seu comportamento dinâmico é
regido por uma ODE altamente não linear. Usando a equação do movimento, equilíbrios e
estabilidade podem ser investigados. A tensão de polarização é o parâmetro físico mais
importante sem controle de estabilidade. Por meio de integrações numéricas realizadas com o
auxílio do software MATLAB ®, é possível demonstrar o comportamento não linear do sistema
micro eletromecânico.
5 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi realizada a modelagem matemática, analise do comportamento
dinâmico, simulações numéricas de um micro cantilever MEMS. Através das simulações
numéricas foi possível demonstrar o comportamento dinâmico de um sistema micro
eletromecânico com comportamento não linear, ainda não é possível comprovar a existência de
caos no sistema, para isso será necessário a aplicação de técnicas como a análise do expoente
de lyapunov ou teste 0 – 1 que serão aplicados dando continuidade ao trabalho. Também se faz
necessário a aplicação de uma técnica de controle para que o dispositivo possa operar
corretamente evitando danos ao equipamento.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FISCHER A. C., FORSBERG F., LAPISA M., BLEIKER S. J., STEMME G., ROXHED N.,
NIKLAUS F. Integrating MEMS and ICs. Microsystems & Nanoengineering.1, 15005,
doi:10.1038/micronano.2015.5.
JAZAR, G. NAKHAIE. Mathematical modeling and simulation of thermal effects in flexural
microcantilever resonator dynamics. Journal of Vibration and Control, v. 12, n. 2, p. 139-
163, 2006.
JAZAR, R. N., MAHINFALAH, M., MAHMOUDIAN, N., & RASTGAAR, M. A.. Effects of
nonlinearities on the steady state dynamic behavior of electric actuated microcantilever-based
resonators. Journal of Vibration and Control, 15(9), 2009 p. 1283-1306.
YOUNIS, M.I., NAYFEH, A.H. A Study of the Nonlinear Response of a Resonant Microbeam
to an Electric Actuation. Nonlinear Dynamics. 31: 91.doi.org/10.1023/A:1022103118330.
2003.
TUSSET, A.M., BALTHAZAR, J.M., BASSINELLO, D.G., PONTES JR., B.R. AND FELIX,
J. L. P. Statements on chaos control designs, including a fractional order dynamical system,
applied to a MEMS comb-drive actuator. Nonlinear Dynamics 69: 1837-1847, 2012.
61
DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO HIPERCAÓTICO
Hilson Henrique Daum
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. José Manoel Balthazar
Orientador – Depto. de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Ângelo Marcelo Tusset
Coorientador – Depto. de Engenharia Eletrônica – UTFPR – Ponta Grossa
RESUMO
Os sistemas caóticos e hipercaóticos são considerados sistemas que evoluem com o tempo. O
estudo destes sistemas tem ganho espaço nas mais diversas áreas, tais como: telecomunicações,
mercado financeiro, meteorologia entre outros.
O presente trabalho tem como objetivo, exibir uma pesquisa sobre a utilização de controladores
não lineares e sincronização em sistemas hipercaóticos, sendo considerado tanto simulações
numéricas como a implementação de um circuito eletrônico para o estudo da dinâmica e
controle.
PALAVRAS-CHAVE: circuito hipercaótico, amplificadores operacionais, dinâmica não
linear
1 INTRODUÇÃO
Na área de telecomunicação existe um interesse muito grande na pesquisa em
osciladores caóticos e sincronização de ambos, a sincronização pode ocorrer de forma
espontânea ou de forma induzida, a primeira pode ser exemplificada quando milhões de
neurônios enviam, ao mesmo tempo, sinais para controlar a respiração e os batimentos
cardíacos. A sincronização induzida utiliza-se técnicas de controle avançada para induzir a
sincronização dos osciladores.
Em 2010 Wiesław M. Macek, aplicou a técnica magnetohydrodynamic e obteve um
conjunto de quatro equações diferenciais ordinárias, o método usual de Lorenz é tridimensional,
dessa forma a nova varável descreve o perfil do campo magnético induzido. (WIESłAW M.
MACEK, 2010)
A teoria do caos pode ser exemplificada de maneira simplificada através do experimento
conhecido como roda d’agua de Lorenz o qual mostra o processo sendo realimentado tende a
girar em uma determinada direção, porém o aumento da força motriz tumultua o movimento e
em certas condições acaba invertendo o sentido de rotação. Dentro deste contexto, verifica-se
que que o experimento ultrapassa os raciocínios usuais, e mostra a necessidade de ampliar as
considerações para concluir as possibilidades de Caos. (KATZ, 2010)
2 REVISÃO DA LITERATURA
Os sistemas caóticos e hipercaóticos são considerados como sistemas que evoluem com
o tempo. O expoente característico de Lyapunov (ECL) é uma das medidas mais utilizadas e
comum para classificar a natureza complexa das soluções das equações diferencias, fornece a
expressão geral do conceito de autovalores característicos de um atrator. Se um ECL é positivo
o sistema apresenta divergências com as condições iniciais e sua previsibilidade futura é
62
profundamente afetada, razão pela qual a solução da evolução apresentada chama-se caótica,
no entanto dois ECL’s são positivos o sistema denomina-se hipercaótico (ABREGO e
MOIOLA, 2013).
Macek e Strumik em 2010, utilizando as equações tridimensionais de Lorenz,
conseguiram construir um sistema quadridimensional hipercaótico representado pela equação1
(MACEK e STRUMIK, 2010).
𝑥′ = 𝑎(𝑦 − 𝑥) − 𝑘1w
𝑦′ = 𝑏𝑥 − 𝑦 − 𝑥𝑧
𝑧′ = 𝑥𝑦 − 𝑐𝑧
𝑤′ = 𝑘1𝑥 + 𝑘2w
(1)
Com a evolução dos componentes eletrônicos, atualmente, é possível elaborar circuitos
eletrônicos e realizar a modelagem matemática precisa próximo do real. Alguns pesquisadores
utilizaram essa técnica para gerar comportamento caótico utilizando a eletrônica analógica.
Utilizando amplificadores operacionais, associados a capacitores e resistores, é possível
realizar algumas operações matemáticas, tais como soma, subtração, integração e derivação. As
combinações destas operações geram funções específicas que podem ser utilizadas para
representar equações diferenciais das quais é possível observar o comportamento caótico.
O amplificador somador inversor, mostrado na figura 1A é uma maneira de somar
algebricamente as n tensões de entrada multiplicada pelo fator de ganho. O amplificador
subtrator é igual a diferença entre os sinais de entrada multiplicado pelo ganho do amplificador.
Na figura 1E é apresentado o amplificador somador não inversor, a configuração do circuito é
parecida com a da figura 1A, porém a entrada do sinal é pela porta positiva, essa configuração
permite a não inversão do sinal de saída (WENDLING, 2010).
As operações de integração podem ser realizadas utilizando o amplificador integrador.
A tensão de saída cresce sobre um período de tempo proporcionalmente à sua entrada formando
uma rampa, a figura 1C apresenta a configuração do circuito. Para realizar operações
derivativas utiliza-se o amplificador diferenciador, com ele é possível produzir uma tensão de
saída proporcional à inclinação da função da tensão de entrada (WENDLING, 2010).
Figura 8: Operações algébricas utilizando amplificadores operacionais
63
3 MATERIAL E MÉTODOS
Dentro da metodologia apresentada o presente trabalho de pesquisa, é desenvolvido uma
pesquisa exploratória com o objetivo de estudar o comportamento da dinâmica e controle de
sistema hipercaótico.
Para a aplicação dos métodos qualitativos e quantitativos, é necessária implementação
de um circuito analógico com comportamento hipercaótico e aplicar técnicas de controle
avançadas.
Na figura 2 é apresentado um resultado preliminar do circuito eletrônico que representa
a equação 1, utilizando os operadores matemáticos mostrados na figura 1. Para a montagem do
circuito analógico foi utilizado o software Proteus.
Figura 1 - Resultado preliminar
Na figura 2 pode-se observar um diagrama de fase para o sistema 1 considerando X
versos W.
4 CONCLUSÕES
Neste trabalho foram apresentados resultados preliminares da montagem de um circuito
analógico representativo do modelo de Macek e Strumik (2010), considerando teorias
fundamentadas nas bibliografias citadas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABREGO, F. J.; MOIOLA, J. L. Lyapunov Exponent Analysis Applied to a Hyperchaotic Prey-
predator Model. IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, v. 11, 2013.
KATZ, F. J. Contribuições Metodológicas Da Teoria Do Caos. UNICAMP, 2010.
MACEK, W. M.; STRUMIK, M. Model for hydromagnetic convection in a magnetized fluid.
Phys. Rev. E., v. 82, p. 027301, 2010.
WENDLING, M. Amplificadores Operacionais. Universidade Estadual Paulista.
Guaratinguetá. 2010.
64
CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES PZTs DE BAIXO CUSTO PARA
APLICAÇÕES DE ENERGY HARVESTING
Paulo Afonso Ferreira Junior
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Fernando de Souza Campos
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
O conceito de Energy Harvesting consiste em utilizar transdutores para obter energia elétrica a
partir de diferentes fontes de energia como térmica, eletromagnética e vibracional. Dentre as
diversas fontes a obtenção de energia elétrica a partir de energia mecânica vibracional é uma
das formas que mais tem recebido atenção. O Cantilever é o principal sistema implementado
em estudos de obtenção de energia elétrica partir de vibrações utilizando transdutores
piezelétricos. Diversos tipos de materiais têm sido utilizados na fabricação de sensores
piezelétricos para otimizar a geração de energia. Entretanto tais sensores ainda não estão
disponíveis comercialmente e/ou são de difícil acesso para aquisição e utilização. Neste
trabalho propõe-se a caracterização de sensores piezelétricos de baixo custo para aplicações de
Energy Harvesting. A estrutura mais utilizada em estudos de geração de energia elétrica a partir
de energia vibracional utilizando sensores piezelétricos é o Cantilever. Foram caracterizados
PZTs circulares de três diferentes diâmetros: 3,4cm, 2,6cm e 1,5cm. A curva de máxima
transferência de potência medida mostra máxima transferência de potência para carga resistiva
de 82kΏ gerando 40uW, 14uW e 1,4W com frequência de vibração aproximada de 7Hz e
aceleração de 1,3g (g-aceleração da gravidade). Além disso, na condição de máxima
transferência de potência as tensões eficazes medidas foram 1,8V, 1,0V e 0,34V.
PALAVRAS-CHAVE: Energy Harvesting, piezeletricidade, transdutor, energia elétrica,
energia mecânica, vibração.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente diversas aplicações como rede de sensores sem fio, eletrônica embutida em
roupas e dispositivos biomédicos como marcapassos requer alto grau de integração eletrônica
e baixo consumo de potência. Uma forma de aumentar a vida útil desses dispositivos eletrônicos
sem a troca de bateria é utilizar transdutores que geram energia elétrica a partir de outras fontes
de energia presentes no meio como energia térmica, eletromagnética e mecânica (vibracional e
acústica). Esta técnica é conhecida como Energy Harvesting ou colheita de energia. Uma das
principais formas de gerar energia elétrica é a colheita de energia piezelétrica, que usa uma
conversão de energia direta de vibrações e deformação mecânica para a elétrica energia. Esta
fonte tem se mostrado promissora na geração de energia elétrica em dispositivos eletrônicos
como nós sensores, dispositivos microeletrônicos devido a maior eficiência de conversão de
energia e a utilização de estrutura simples (Kang, 2016; Li, 2015 e Zhang, 2016).
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A estrutura mais utilizada em estudos de geração de energia elétrica a partir de energia
vibracional utilizando sensores piezelétricos é o Cantilever. O Cantilever consiste numa barra
engastada com um sensor piezelétrico colado próximo sua base engastada e uma massa de prova
65
pressa em sua extremidade livre (Fig. 1). A barra submetida à uma força mecânica oscilatória
vibra em determinada frequência provocando a deformação da barra e do sensor piezelétrico
gerando energia elétrica.
Figura 1: Estrutura Cantilever
Fonte: Adaptado de Kang, 2016.
3 METODOLOGIA
A vibração da barra utilizada nos experimentos foi obtida por um motor excêntrico preso
na parte inferior da extremidade livre da barra. O diafragma piezelétrico (PZT) foi acoplado
próximo ao ponto de engastamento por meio de uma cola de cianoacrilato. Um acelerômetro
foi acoplado na parte superior da massa de prova para medir a aceleração e a energia mecânica
do sistema. O sinal elétrico gerado pelo PZT foi medido com carga resistiva utilizando-se um
sistema de aquisição de dados (LabView). A frequência de vibração da barra foi obtida por meio
do aumento da tensão do motor.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para todos os três PZTs de diferentes encontrou-se que a máxima transferência de
potência ocorre para carga resistiva de 82kΏ conforme mostra a Fig. 2. A máxima potência
gerada na carga para os três PZTs foram 40uW, 14uW e 1,4 na frequência de vibração
aproximada de 7Hz e aceleração de 1,3g (g-aceleração da gravidade). Na condição de máxima
transferência de potência as tensões eficazes obtidas foram 1,8V, 1,0V e 0,34V. O rendimento
do menor do que 1% em todos os casos. Consideramos que o baixo rendimento obtido é devido
fato de que em nosso experimento inicial a barra Cantilever não opera na frequência de
ressonância.
Figura 2: Curva de máxima transferência de potência
(a) PZT grande (b) PZT médio e (c) PZT pequeno
(a)
Fixo Lâmina de metal
Cerâmica Piezelétrica Massa de prova
66
(b)
(c)
5 CONCLUSÃO
Os resultados obtidos mostram que o PZT comercial caracterizado pode ser utilizado
em aplicações de colheita de energia para alimentação de circuitos eletrônicos de baixa
potência. Entretanto estes resultados ainda são preliminares uma vez que a pesquisa está em
estágio inicial. A aparato de medida está sendo preparado para acionar a barra cantilever na
frequência de ressonância na qual obtém-se a máxima deformação e, portanto, a máxima
geração de energia elétrica para comparação adequada com outros sensores piezelétricos
utilizados na literatura.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
KANG, M.-G.; JUNG, W.-S.; KANG, C.-Y.; YOON, S.-J. “Recent Progress on PZT Based
Piezoelectric Energy Harvesting Technologies”, Actuators, vol. 5, 2016,
(https://doi.org/10.3390/act5010005)
LI, P.; LIU, Y.; WANG, Y.; LUO, C.; LI, G.; HU, J.; LIU, W.; ZHANG, W. “Low-frequency
and wideband vibration energy harvester with flexible frame and interdigital structure” Journal
of Applied Physics, vol. 5, 2015.(https://doi.org/10.1063/1.491971)
ZHANG, G.; GAO, S.; LIU, H. “A utility piezoelectric energy harvester with low frequency
and high-output voltage: Theoretical model, experimental verification and energy storage”,
Journal of Applied Physics, vol. 6, 2016 (https://doi.org/10.1063/1.4962979)
67
DESENVOLVIMENTO DE CO-MODELOS DE SIMULAÇÃO DE PLANTAS E
CONTROLADORES COM COMUNICAÇÃO VIA OPC
Rodolfo G. Machado
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo José Amaral Serni
Orientador – Depto. de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Átila Madureira Bueno
Co-orientador – Depto. de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO
O uso de co-modelos pode ser bastante útil para realizar co-simulações em que cada modelo
deve ser especializado em uma determinada função. Por exemplo, um sistema supervisório
pode ser facilmente conectado a diversos sensores e transmissores no campo, porém pode
possuir uma biblioteca limitada de controladores, inviabilizando o uso de modernas técnicas de
controle. Assim, este trabalho propõe a integração de diversos modelos para realizar tarefas
mais complexas de controle e supervisão da planta. Para conexão de diversos co-modelos é
proposto o uso do protocolo de comunicação industrial OPC DA, por meio do qual as variáveis
compartilhadas são disponibilizadas para leitura e dependendo das permissões de um
determinado módulo, também para escrita de dados. Um algoritmo mestre deve estar presente
para coordenar as variáveis compartilhadas e o tempo de execução. O controlador a ser utilizado
será baseado em uma técnica de controle robusto conhecida como desigualdades matriciais
lineares.
PALAVRAS-CHAVE: co-modelos, co-simulação, comunicação OPC, desigualdades
matriciais lineares.
1 INTRODUÇÃO
Co-simulação pode ser definida pela simulação integrada de módulos conhecidos como
co-modelos, que poder ser, por exemplo, a interação de um modelo de tempo contínuo com o
de um modelo a eventos discretos, onde ambos são executados simultaneamente e é permitido
o compartilhamento de dados e eventos (Fitzgerald et al., 2014).
O trabalho será inicialmente desenvolvido em uma plataforma totalmente simulada, a
fim de testar a comunicação e o tempo de execução entre os módulos, assim como a resposta
do controlador e o registro das variáveis selecionadas. Será desenvolvido um primeiro co-
modelo representado uma planta industrial a ser controlada, um segundo co-modelo realizando
a função de sistema de controle e supervisão onde apenas técnicas de controle convencional
podem ser implementadas, e um último co-modelo onde será possível realizar técnicas de
controle moderno, como por exemplo, controle preditivo e controle robusto. Em uma última
etapa, a planta simulada será substituída pela planta real para controle de nível ou controle de
vazão de uma malha industrial.
Desta forma, um dos objetivos desse trabalho é desenvolver os conceitos de co-
simulação e aplicá-los a uma malha real e, ao mesmo tempo, desenvolver técnicas de
modelagem para processos industriais, utilizando-se também das ferramentas disponíveis para
comunicação dos mesmos. Outro objetivo é permitir o uso de outras técnicas de controle além
68
daquelas disponíveis em sistemas supervisórios e aplicativos comerciais voltados para
processos industriais.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Os conceitos de co-modelos e co-simulação são tratados em Fitzgerald et al. (2014).
Nele também é definido um elemento conhecido como contrato, no qual é registrada a natureza
da comunicação entre os módulos e o conjunto de variáveis compartilhadas, parâmetros
compartilhados e eventos, assim como também a permissão de escrita a uma determinada
informação. São indicados requisitos mínimos para se conseguir consistência na co-simulação
e obter resultados coerentes.
Em Nguyen et al. (2017), a técnica de co-simulação é utilizada para avaliação e
validação de sistemas de energia, combinando simuladores de domínios diferentes. São
investigados e classificados diferentes métodos de acoplamento. Em Steinbrink et al. (2017),
também se usa co-simulação aplicada à validação de sistemas smart grids devido ao alto grau
de complexidade de interações entre a rede passiva tradicional e componentes eletrônicos ativos
de potência, que são conectados e se comunicam.
3 MATERIAL E MÉTODOS
O trabalho inicial será desenvolver o modelo de uma malha industrial composta por
bombas, válvulas e tanques com seus respectivos sensores e transmissores. Para tanto será
utilizado um aplicativo matemático onde o modelo da planta será implementado e executado.
O sistema supervisório original será adaptado para atuar sobre esse modelo para fechar a malha.
Feito isso, será utilizado o protocolo de comunicação industrial OPC DA para permitir que
dados como o set-point, variável de processo e variável de controle fiquem disponibilizadas
para acesso com um aplicativo matemático no qual será implementado um algoritmo de
controle robusto baseado em desigualdades matriciais lineares. O uso desse protocolo foi
realizado pois o sistema supervisório utilizado nesse trabalho foi desenvolvido antes do
lançamento do protocolo OPC UA, e sendo um aplicativo proprietário, não é permitida a
alteração pelo usuário final. Por último, o simulador da malha industrial será substituído pela
planta real citada inicialmente como base para o modelo matemático. O diagrama do
experimento é mostrado na figura 1, onde as linhas em vermelho ilustram as vias de
comunicação OPC, e as linhas em azul permanecem conforme a configuração inicial do
sistema.
Figura 1 – Diagrama do experimento
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O controlador utilizado é baseado em uma técnica de controle robusto apresentada em
Kothare et al. (1996). Tal controlador é projetado para atuar em uma planta onde existem
69
imprecisões nos parâmetros do modelo matemático do sistema ou tais parâmetros podem
apresentar um comportamento variante no tempo.
Para tanto, é definido um elemento conhecido como politopo, que é uma região
(intervalo) que contém o valor real do parâmetro. O objetivo para projeto do controlador é obter
para cada instante de tempo, uma lei de controle que minimize o pior caso de uma função
objetivo de horizonte infinito.
5 CONCLUSÕES
Esse trabalho mostrará uma técnica de controle conhecida como co-simulação. Os
resultados esperados são: obter um modelo matemático de uma determinada planta industrial;
desenvolver módulos conhecidos como co-modelos e que se comunicam via protocolo OPC;
desenvolver um algoritmo de controle baseado na técnica de controle robusto conhecida como
desigualdades matriciais lineares e integrar todos os módulos com a execução simultânea dos
mesmos. Desta forma, espera-se obter o controle de uma planta, utilizando-se de ferramentas
inicialmente não disponíveis em sistemas comerciais.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FITZGERALD, J.; LARSEN, P.G.; VERHOEF, M. Collaborative design for embedded
systems. 385 p. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014.
KOTHARE, M.V.; BALAKRISHNAN, V.; MORARI, M. Robust constrained model
predictive control using linear matrix inequalities. Automatica, 1996.
NGUYEN, V.H.; BESANGER, Y.; TRAN, Q.T.; NGUYEN, T.L. On conceptual structuration
and coupling methods of co-simulation frameworks in cyber-physical energy system validation.
Energies, v. 10, n. 12, 2017.
STEINBRINK, C.; LEHNHOFF, S.; ROHJANS, S. et al. Simulation-based validation of smart
grids - Status quo and future research trends. Proceedings of the 8th International
Conference on Industrial Application of Holonic and Multi-agent System, p. 171-185,
2017.
70
SISTEMAS DE ENERGIA
71
ENVOLVIMENTO DE UM GERADOR HIDRELÉTRICO NOS MERCADOS
DO DIA SEGUINTE, REGULAÇÃO E AJUSTES
Tiago Forti da Silva
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Um agente gerador atuando em um ambiente de mercados, deve diversificar seus investimentos
visando aumentar o lucro esperado e diminuir o risco gerado pela volatilidade dos preços,
caracterizando uma estratégia de heading. No caso de um gerador hidrelétrico, é necessário
considerar aspectos como a transmissão hidráulica ao longo da cascata e o rendimento variável
das unidades geradores com a altura de queda da água na usina. Para analisar o problema de
um gerador participando dos mercados do dia-seguinte, regulação e ajustes é proposto um
modelo de otimização estocástico quadrático inteiro misto, testado em uma cascata composta
por oito usinas hidrelétricas.
PALAVRAS-CHAVE: Problema de portfólio. Mercados de energia. Programação estocástica.
Otimização inteira mista.
1 INTRODUÇÃO
Um gerador participando de um ambiente de mercados pode atuar em diferentes
segmentos além da venda de energia, como o fornecimento de reativos e reserva para o sistema
e a regulação entre geração e carga. Cada tipo de produto necessário para o sistema é
comercializado em um mercado específico, com regras que variam dependendo das suas
características técnicas e econômicas.
Neste trabalho foi considerando especificamente a situação de um gerador hidrelétrico
que deseja planejar sua atuação para o próximo dia, decidindo a participação nos mercados do
dia seguinte, regulação e de ajustes.
Uma vez que os preços dos mercados são desconhecidos no momento em que o gerador
efetua os seus lances, temos uma situação de informação incompleta. A tomada de decisão pode
então ser modelada através de um processo estocástico, onde cada estágio representa um
conjunto de decisões, ocorre um aumento da quantidade de informação disponível entre dois
estágios sucessivos [1].
O gerador deve elaborar sua estratégia de atuação nos mercados ponderando a relação
entre risco e lucro esperado, uma vez que os preços possuem diferentes graus de volatilidade
associada. Como a capacidade de geração de um agente hidrelétrico está associada com o
volume armazenado nos reservatórios, isso implica em distribuir a água disponível ao longo do
período, respeitando os indicadores vindos de seu planejamento de médio prazo [2].
Ao longo da cascata ocorre a transmissão hidráulica entre as usinas, permitindo a
transferência da água entre as usinas. O volume armazenado também influencia na
produtividade das unidades, já que seu rendimento é determinado predominantemente pelo
comportamento da turbina hidráulica. Este, por sua vez, é proporcional a altura de queda líquida
da água, dada pela diferneça entre as cotas de montante e jusante descontada uma altura de
perdas. Isso implica que o agente pode represar a água para elevar sua cota de montante,
72
aumentando o rendimento das suas unidades nos períodos do dia onde ocorrem preços mais
altos [3].
2 REVISÃO DA LITERATURA
A utilização de contratos a termo como ferramenta de heading em mercados pool de
eletricidade foi analisada pela referência [4] já em 1990, enquanto a referência [5] analisa como
a mensuração de risco e as técnicas estocásticas podem ser aplicadas às incertezas do mercado
de eletricidade em diferentes períodos de planejamento. Na referência [6] temos um estudo das
assimetrias encontradas nos mercados de energia hidrotérmicos.
O portfólio de médio prazo de um gerador térmico foi modelado por [7] utilizando um
modelo de otimização estocástica inteira mista com o CVaR como medida de risco, enquanto
a referência [8] analisa o mercado turco de eletricidade utilizando a técnica de variância de
Markowitz. Uma comparação entre a mensuração do risco com o CVaR ou pela variância é
encontrada em [9].
3 MATERIAL E MÉTODOS
O problema de portfólio de um agente gerador atuando no mercados do dia seguinte, de
regulação e de ajustes foi representado através de um modelo de otimização estocástica
quadrático inteiro misto com três estágios, resolvido utilizando o software CPLEX Optimization
Studio versão 12.6 [10].
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O modelo proposto foi testado em uma cascata hidráulica composta por oito usinas
hidrelétricas, considerando cenários de preços associados aos mercados do dia seguinte, ajustes
e de regulação, utilizando o valor de risco condicional CVaR como métrica de risco associado,
além da metodologia de representação da curva de performance das unidades geradoras
proposta por [3].
A curva de geração obtida apresenta o mesmo padrão de comportamento que a curva de
preços, demonstrando a alocação do uso da água de modo a maximizar a captação de receitas
nos mercados. Foi possível observar a ocorrência de transferência da água entre as usinas de
acordo com o valor do seu rendimento, visando obter uma relação de MWh gerado por Hm³ de
água mais alta durante o período de pico nos preços. Finalmente, foram respeitadas as restrições
técnicas e ambientais relacionadas aos aspectos hidráulicos, como por exemplo os limites de
variação da defluência das usinas e o balanço de água nos reservatórios, garantindo assim a
factibilidade da operação proposta para o período.
5 CONCLUSÕES
O problema de portfólio de um gerador hidrelétrico para o dia-seguinte consiste em
determinar a sua participação nos mercados disponíveis, buscando uma relação ótima entre
risco e lucro esperado. Isso deve ser feito de modo a respeitar as restrições relacionadas aos
aspectos hidráulicos do problema, como a curva de performance das unidades e o
gerenciamento do nível dos reservatórios.
Considerando a possibilidade de atuação nos mercados do dia-seguinte, regulação e
ajustes, o problema pode ser representado como um modelo de otimização estocástica
quadrático inteiro misto com três estágios. Sua aplicação em uma cascata de teste composta por
73
oito usinas hidrelétricas permitiu a verificação da importância de se considerar os aspectos
hidráulicos para a obtenção de uma solução factível para o planejamento do agente gerador.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A. J. Conejo, M. Carrión, e J. M. Morales, Decision Making Under Uncertainty in
Electricity Markets. Springer Science & Business Media, 2010.
[2] B. Mo, A. Gjelsvik, e A. Grundt, “Integrated risk management of hydro power
scheduling and contract management”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 16, no 2, p. 216–221,
maio 2001.
[3] A. J. Conejo, J. M. Arroyo, J. Contreras, e F. A. Villamor, “Self-scheduling of a hydro
producer in a pool-based electricity market”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 17, no 4, p. 1265–
1272, nov. 2002.
[4] R. J. Kaye, H. R. Outhred, e C. H. Bannister, “Forward contracts for the operation of an
electricity industry under spot pricing”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 5, no 1, p. 46–52, fev.
1990.
[5] M. Denton, A. Palmer, R. Masiello, e P. Skantze, “Managing market risk in energy”,
IEEE Trans. Power Syst., vol. 18, no 2, p. 494–502, maio 2003.
[6] S. Mosquera-López, D. F. Manotas-Duque, e J. M. Uribe, “Risk asymmetries in
hydrothermal power generation markets”, Electr. Power Syst. Res., vol. 147, p. 154–164, jun.
2017.
[7] A. J. Conejo, R. Garcia-Bertrand, M. Carrion, Á. Caballero, e A. de AndrÉs, “Optimal
Involvement in Futures Markets of a Power Producer”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 23, no 2,
p. 703–711, maio 2008.
[8] F. Gökgöz e M. E. Atmaca, “Financial optimization in the Turkish electricity market:
Markowitz’s mean-variance approach”, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 16, no 1, p. 357–368,
jan. 2012.
[9] R. C. Garcia, V. González, J. Contreras, e J. E. S. C. Custodio, “Applying modern
portfolio theory for a dynamic energy portfolio allocation in electricity markets”, Electr. Power
Syst. Res., vol. 150, p. 11–23, set. 2017.
[10] Universidade da Califórnia, Berkeley, IBM ILOG CPLEX Optimization Studio. IBM,
2013.
74
ESTUDO DE COMPORTAMENTO DE AEROGERADOR FRENTE A DISTÚRBIOS
DE TENSÃO COM INJEÇÃO DE CORRENTE REATIVA DURANTE FALTA
Danilo M. Caldas
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Flavio A. S. Gonçalves
Orientador – Instituto de Ciência de Tecnologia de Sorocaba – Unesp – Sorocaba
RESUMO
O artigo aborda os principais requisitos do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) para
a integração de usinas eólicas ao Sistema Interligado Nacional (SIN). Em seguida, apresenta
uma proposta de verificação da conformidade dos aerogeradores ao requisito de passagem por
distúrbios de tensão (Fault Ride Through – FRT) com injeção de corrente reativa durante a
falta, por meio de resultados provenientes da ferramenta computacional ANATEM do CEPEL.
PALAVRAS-CHAVE: Aerogerador, ANATEM, Procedimentos de Rede, Fault Ride
Through.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, o Brasil possui uma capacidade instalada acumulada de energia eólica de
aproximadamente 13 GW (ABEEOLICA, 2018), chegando uma participação desta fonte na
matriz de energia elétrica brasileira maior do que 8% (ABEEOLICA, 2018).
O fato de o sistema elétrico possuir maior inserção de uma fonte de energia variável na
rede, levou a ANEEL, em conjunto com o ONS a publicar em 2017 uma revisão dos requisitos
técnicos mínimos para a conexão de aerogeradores ao SIN (Sistema Interligado Nacional), onde
são exigidos dos parques eólicos, a participação ativa no controle de tensão e suporte no
controle de frequência da rede (GOMES, SARDINHA e AQUINO, 2017).
O objetivo deste artigo é descrever e apontar os principais requisitos do ONS
relacionados a aerogeradores, concentrando-se na análise do requisito de FRT e na resposta do
aerogerador a distúrbio de tensão através de um estudo de caso.
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Procedimentos de Rede
Para os parques eólicos conectados ao SIN (Sistema Interligado Nacional), devem ser
respeitadas as regras de conexão impostas no Submódulo 3.6 dos Procedimentos de Rede (ONS,
2016). Alguns dos requisitos são relativos ao parque eólico, tendo como referência o PAC
(Ponto de Acoplamento Comum), e outros são relativos aos aerogeradores, individualmente
(GOMES, SARDINHA e AQUINO, 2017).
Considerando o PAC como ponto de referência, destaca-se como novos requisitos a
maior exigência de capacidade de potência reativa e a obrigatoriedade da existência de um
controle centralizado de tensão com possibilidade do uso de um controle Q(ΔU) (Voltage-
Droop) (CALDAS e OGIEWA, 2017).
Por outro lado, também foram modificados requisitos relativos a conformidade da
operação de cada aerogerador individualmente, nomeadamente a resposta destes frente a
distúrbios de tensão ou FRT. Este requisito determina que cada aerogerador deve ser capaz de
75
se manter em funcionamento tanto para distúrbios de subtensão como para distúrbios de
sobretensão de maneira temporária e serem capaz de durante este período contribuírem com
injeção ou absorção de corrente reativa de maneira controlada de acordo com o gráfico
mostrado na Figura 9.
Figura 9. Requisito para injeção de corrente reativa durante falta na rede.
3 MATERIAL E MÉTODOS
O estudo de caso adotado neste artigo analisa o comportamento de um aerogerador em
relação a distúrbios de tensão através de simulações com o software ANATEM. A Figura 10
ilustra o diagrama unifilar do caso exemplo, considerando um aerogerador conectado a uma
barra infinita.
Figura 10. Caso exemplo com localização da falta simulada.
Para representar o aerogerador no ANATEM foi utilizado o modelo representado pelo
arquivo ExF4r1.cdu, que foi configurado considerando todos os parâmetros correspondentes do
aerogerador E-92 2,35 MW FTQS e os ajustes de cada controle para cumprir com os requisitos
do ONS (ENERCON, 2017). Para inclinação da curva de injeção de reativa foram utilizados
valores arbitrários de K nas simulações, sendo eles: K=3 para subtensão e K=10 para
sobretensão.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Considerando estes parâmetros foram simuladas no ANATEM faltas com a duração de
4 segundos com diferentes níveis de tensão, e foram medidas as correntes reativas injetadas e
absorvidas pelo aerogerador em cada evento. A Tabela 1 apresenta os valores encontrados nas
simulações. Dentre os casos simulados, foram escolhidos dois eventos para serem
demonstrados graficamente, sendo um evento de subtensão e um de sobretensão mostrados,
respectivamente na Figura 11.
76
Tabela 1. Casos de FRT simulados no ANATEM.
Tensão residual durante a falta - Uf (pu) Fator K Corrente Reativa – Iq (A)
0,55 3 0,89
0,76 3 0,26
0,85 3 0,00
1,10 10 0,00
1,13 10 -0,31
1,16 10 -0,61
Figura 11. Resposta do aerogerador durante FRT.
Subtensão: Uf=0,55; Iq=0,89 (capacitivo) e Sobretensão: Uf=1,16; Iq=-0,61(indutivo).
5 CONCLUSÕES
O presente artigo apresentou os novos requisitos do ONS relativos à conexão de parques
eólicos a rede elétrica. Tais requisitos são descritos nos Procedimentos de Rede, sendo alguns
destes requisitos relativos ao PAC e outros relativos a cada aerogerador, de forma individual.
Além disso, foi realizada a avaliação dos requisitos de resposta de um aerogerador a
distúrbios de tensão, considerando resultados de simulação computacional realizadas no
ANATEM utilizando o modelo específico fornecido pelo fabricante ENERCON.
A análise da resposta do aerogerador para cada uma das funcionalidades permitiu a
constatação de que os requisitos novos do ONS frente a tais distúrbios são atendidos, ou seja,
o aerogerador possui a capacidade de manter-se em funcionamento injetando ou absorvendo
corrente reativa de maneira controlada seguindo uma curva de resposta característica pré-
definida.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABEEOLICA. Dados Mensais ABEEOLICA - Fevereiro 2018. 2018.
CALDAS, D.; OGIEWA, R. Fault Ride Through in Full-Converter Wind Turbines Facing the ONS Grid Code.
Rio de Janeiro: Brazil Wind Power 2017. 2017.
ENERCON. ExF4_ANATEM Model Documentation. 2017.
GOMES, P.; SARDINHA, S.; AQUINO, A. Uma Visão Geral sobre as Questões Relacionadas com a Interligação
e Operação de Usinas de Energia Eólica no Sistema Elétrico Interligado Nacional. Curitiba: XXIV SNPTEE. 2017.
ONS. Submódulo 3.6 - Requisitos técnicos mínimos para a conexão às instalações de transmissão. 2016.
77
MODELO DE PLANEJAMENTO DA AQUISIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A
MÉDIO PRAZO EM MERCADOS DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS
Rodolfo Rodrigues Barrionuevo Silva
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
O mercado de energia elétrica se difere em diversos pontos do mercado de outras commodities,
especialmente em sistemas hidrotérmicos. Esta pesquisa visa analisar o problema enfrentado
por um grande consumidor neste mercado ao decidir como comprar a energia que necessita. No
planejamento de médio prazo, este consumidor precisa decidir quanto de energia será suprida
pelo mercado de futuros e por contratos bilaterais e quanto pelo mercado pool. Esta decisão
busca obter o menor custo frente às incertezas do preço do mercado em sistemas hidrotérmicos.
Logo, busca-se propor um modelo de planejamento da aquisição de energia, que contribua na
decisão de quais contratos devem ser assinados por um grande consumidor, no horizonte de
médio prazo. Espera-se que o modelo proposto seja capaz de determinar a melhor decisão para
os contratos no mercado de futuros e bilaterais baseada no custo esperado da aquisição da
energia.
PALAVRAS-CHAVE: mercados de energia; sistemas hidrotérmicos; modelo de aquisição de
energia; programação estocástica.
1 INTRODUÇÃO
Ao longo das últimas décadas, o setor de energia elétrica em muitos países evoluiu de
um cenário operacional centralizado para um competitivo. Essa reestruturação permitiu a
liberalização do setor elétrico e o surgimento de mercados de eletricidade em todo o mundo
(CONEJO; CARRIÓN; MORALES, 2010; STOFT, 2002). A abertura do mercado de energia
à iniciativa privada e à livre comercialização propicia a concorrência entre as unidades
geradoras, a redução dos custos de produção e das tarifas pagas pelos consumidores. Neste
processo, a indústria de energia, que era fortemente verticalizada e regulada pelo estado, passa
a seguir a lei da oferta e demanda de mercado (STOFT, 2002).
Tendo em vista este cenário do mercado de energia elétrica, a pesquisa visa abordar o
problema da aquisição de energia elétrica por um grande consumidor. Tal problema é
apresentado em (CONEJO; FERNANDEZ-GONZALEZ; ALGUACIL, 2005; CONEJO;
CARRIÓN; MORALES, 2010), no qual o consumidor, a fim de minimizar suas despesas com
eletricidade, deve determinar quanto de energia será adquirida através de contratos bilaterais,
quanto será obtida no mercado pool e quanto de energia será produzida.
As abordagens relativas à aquisição de energia (CONEJO; FERNANDEZ-
GONZALEZ; ALGUACIL, 2005; CONEJO; CARRIÓN; MORALES, 2010) enfatizam a
decisão com base em cenários de preços pré-estabelecidos, sem explorar como tais informações
são definidas, nem qual tipo de sistema está sendo trabalhado (sistema termoelétrico,
hidroelétrico etc.). Nesta pesquisa, visa-se explorar as características específicas de sistemas
hidrotérmicos, especialmente quanto à formação dos preços da energia no mercado pool.
Portanto, este projeto visa propor um modelo de planejamento da aquisição de energia
que contribua na decisão de quais contratos devem ser assinados por um grande consumidor no
78
horizonte de médio prazo, tanto no mercado de futuros quanto bilateralmente. As incertezas do
mercado serão modeladas por meio de processos estocásticos usando conjuntos de cenários
para as afluências futuras e preços do mercado pool. Serão consideradas as informações
históricas de afluências para a geração dos cenários e também será considerada a aversão ao
risco na formulação do modelo. Espera-se que o modelo a ser proposto seja capaz de determinar
a melhor decisão para os contratos baseada no custo esperado da aquisição da energia e no
risco.
2 MATERIAL E MÉTODOS
Esta pesquisa visa propor um modelo estocástico para o planejamento da aquisição de
energia por um grande consumidor. Para desenvolver esse modelo, os principais temas de
estudo e atividades previstas são: mercados de energia e as formas de aquisição de energia;
tomada de decisão em cenários de incertezas, tais como o preço da energia no mercado pool;
programação estocástica; mercado de energia em sistemas hidrotérmicos; métodos de previsão
de preços da energia no mercado pool com base em dados históricos; modelos para gestão do
risco e para o planejamento da aquisição de energia; modelagem estocástica para tratar as
incertezas do mercado em sistemas hidrotérmicos; e, finalmente, desenvolvimento de um
modelo de otimização da aquisição de energia pelo grande consumidor.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E DISCUSSÕES
As primeiras pesquisas relativas a modelos de mercado de energia elétrica, tais como
Schweppe et al. (1988) e Galiana; Kockar; e Franco (2002), mostraram que estes não poderiam
ser descritos apenas por modelos econômicos. Esta peculiaridade se deve ao fato da energia
elétrica obedecer a leis físicas e a questões operacionais que não podem ser representadas em
modelos simplesmente econômicos. Logo, notou-se a necessidade do desenvolvimento de
modelos econômicos específicos, que representassem tanto as características físicas do sistema
quanto as do mercado de energia elétrica (GALIANA; KOCKAR; FRANCO, 2002).
Apesar da complexidade do mercado de energia elétrica, sua implantação tem mostrado
que este ambiente pode gerar benefícios tanto para consumidores quanto para produtores
(ARROYO; CONEJO, 2002), uma vez que a competição possibilita maior redução de preços
em relação a ambiente com preços regulados (STOFT, 2002).
Na literatura, são essencialmente apresentados dois modelos econômicos para a
comercialização de energia elétrica: o mercado spot, também conhecidos como mercado pool;
e o mercado de futuros, que incluem os contratos bilaterais (VERGÍLIO, 2011).
Um grande consumidor tem a oportunidade de adquirir a energia que necessita através
de contratos futuros, bilaterais ou no mercado pool. Ao assinar contratos futuros e bilaterais,
reduz o risco associado à volatilidade dos preços no mercado pool, porém, geralmente com
custo mais elevado. Já depender principalmente do mercado pool pode resultar em uma
volatilidade inaceitável. Então, o problema que o grande consumidor enfrenta consiste em
decidir o quanto de energia adquirir em cada mercado de energia (CARRION et al., 2007).
Este problema enfrentado pelo grande consumidor pertence a um cenário de muita
incerteza, similar à maioria dos problemas de tomada de decisão enfrentados pelos agentes do
mercado de eletricidade. No entanto, as decisões precisam ser tomadas mesmo com a falta de
informações precisas. Então, surge a utilização de modelos de programação estocástica para
tomada de decisão sob incerteza (CONEJO; CARRIÓN; MORALES, 2010).
79
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O mercado brasileiro de energia elétrica, além de se diferir do mercado de outras
commodities, tem passado por diversas mudanças devido ao seu processo de
desregulamentação. Esse processo alterou as relações entre os agentes de compra e de venda de
energia elétrica. A proposta desta pesquisa consiste em propor e avaliar um modelo de
planejamento da aquisição de energia por um grande consumidor, no horizonte de médio prazo
e em sistemas hidrotérmicos. Para atingir esse objetivo, a pesquisa irá explorar temas relativos
ao mercado de energia elétrica; à previsão de preços da energia; à programação estocástica; e
aos modelos de planejamento de aquisição de energia e de gestão de risco.
Este projeto pretende contribuir para a literatura ao desenvolver uma ferramenta para a
aquisição de energia na perspectiva do grande consumidor e voltado para sistemas
hidrotérmicos. Destaca-se esta contribuição, pois, a literatura, quando voltada para sistemas
hidrotérmicos, geralmente aborda problemas de planejamento do despacho e nas perspectivas
do gerador ou do operador do sistema. E quando as pesquisas trabalham o problema de
aquisição de energia, geralmente tratam sistemas termoelétricos e na perspectiva do revendedor
de energia.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARROYO, J. M.; CONEJO, A. J. Multiperiod auction for a pool-based electricity market.
IEEE Transactions on Power Systems, v. 17, n. 4, p. 1225–1231, nov. 2002.
CARRION, M.; PHILPOTT, A. B.; CONEJO, A. J.; ARROYO, J. M. A Stochastic
Programming Approach to Electric Energy Procurement for Large Consumers. IEEE
Transactions on Power Systems, v. 22, n. 2, p. 744–754, maio 2007.
CONEJO, A. J.; CARRIÓN, M.; MORALES, J. M. Decision Making Under Uncertainty in
Electricity Markets. [S.l.]: Springer, 2010.
CONEJO, A. J.; CONTRERAS, J.; ESPÍNOLA, R.; PLAZAS, M. A. Forecasting electricity
prices for a day-ahead pool-based electric energy market. International Journal of
Forecasting, v. 21, n. 3, p. 435–462, jul. 2005.
GALIANA, F. D.; KOCKAR, I.; FRANCO, P. C. Combined pool/bilateral dispatch. I.
Performance of trading strategies. IEEE Transactions on Power Systems, v. 17, n. 1, p.92–
99, fev. 2002.
SCHWEPPE, F. C.; CARAMANIS, M. C. TABORS, R. D.; BOHN, R. E. Spot Pricing of
Electricity. Boston, MA: Springer, 1988.
STOFT, S. Designing Markets for Electricity. [S.l.]: IEEE Press, 2002.
VERGÍLIO, A. H. B. U. Um modelo de pré-despacho hidrotérmico para mercados de
energia. Aleph, p. 132 f.: il., ago. 2011. Disponível em: <https://repositorio.unesp.br/-
handle/11449/87186>.
80
OTIMIZAÇÃO DA OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARA
MINIMIZAÇÃO DOS CUSTOS COM ENERGIA ELÉTRICA
Letícia Maria Miquelin
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Profa. Dra. Edilaine Martins Soler
Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
Profa. Dra. Maristela Oliveira dos Santos
Coorientadora – Depto. de Matemática Aplicada e Estatística – USP – São Carlos
RESUMO
Os sistemas de abastecimento de água têm um papel importante no cotidiano da população.
Eles são responsáveis por levar água de qualidade e em quantidade adequada à população. Tais
sistemas utilizam bombas hidráulicas para captar água de poços ou mananciais, para fazer a
transferência de água entre os reservatórios e, em alguns casos, para atender a demanda. Como
grande parte dos gastos com energia elétrica nesses sistemas se dá por conta do sistema de
bombeamento é necessário o planejamento da operação das bombas hidráulicas de modo a
minimizar os gastos com energia elétrica. O objetivo desta pesquisa é propor um modelo
matemático para minimizar dos custos com energia elétrica em sistemas de abastecimento mais
próximo da realidade.
PALAVRAS-CHAVE: Energia Elétrica, Otimização, Bombas Hidráulicas, Sistemas de
Abastecimento.
1 INTRODUÇÃO
Os custos com energia elétrica são altos em empresas de saneamento básico. Segundo
Tsutiya (2006), cerca de 95% dos gastos com energia elétrica nessas empresas se dá por conta
dos sistemas de bombeamento.
As tarifas energéticas cobradas das empresas de saneamento básico têm preços
diferenciados de acordo com as horas do dia. No Brasil, o horário compreendido entre as 18h e
as 21h é chamado horário de ponta, onde a energia elétrica é mais cara e que há um maior
consumo de água pela população.
Nos sistemas de abastecimento de água existem bombas hidráulicas que captam água
de poços ou mananciais, enviando esta água para os reservatórios, e bombas responsáveis por
fazer a transferência dessa água entre os reservatórios. Em alguns casos esses reservatórios são
instalados em partes altas das cidades, de modo que a demanda é atendida por gravidade, como
visto em Toledo et al. (2008), não havendo a necessidade de utilizar bombas hidráulicas. Em
outros, não é possível a instalação de todos os reservatórios nas partes altas, sendo necessário
o uso de bombas para distribuição de água, como em Santos et al. (2015).
Um procedimento comum observado é o acionamento das bombas quando os níveis
mínimos dos reservatórios são atingidos, deixando-as ligadas até que se atinjam seus limites
máximos, sem levar em consideração o horário em que estão sendo feitas essas operações.
Assim, é de grande importância o planejamento da operação de liga/desliga das bombas
hidráulicas em sistemas de abastecimento de água de modo a minimizar os gastos com energia
elétrica.
81
Neste trabalho será investigado o modelo matemático para o problema da operação de
bombas hidráulicas proposto por Santos et al. (2015) e propor alterações neste modelo,
deixando mais próximo da realidade dos sistemas de abastecimento. Serão realizados testes
com parte do sistema de abastecimento da cidade de São Carlos/SP.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Grande parte dos gastos com energia elétrica em sistemas de abastecimento se dá por
conta dos sistemas de bombeamento. Alperovits e Shamir (1977) já se preocupavam com a
questão e trabalharam em um modelo matemático para minimizar os custos com energia elétrica
em sistemas de abastecimento de água, onde consideravam os custos das bombas e de seu
funcionamento.
Em Toledo et al. (2008) é apresentado um modelo matemático de programação inteira
mista para o planejamento da operação de bombas hidráulicas em sistemas de abastecimento
de água. Este consiste em decidir o liga/desliga das bombas hidráulicas de modo a minimizar
os custos com energia elétrica, mas sem prejudicar o atendimento da demanda. Neste modelo
são consideradas que a captação de água dos poços e a transferência entre os reservatórios são
feitas por bombas hidráulicas. Já o atendimento dos centros consumidores é feito por meio de
gravidade, considerando que os reservatórios se encontram em estações mais elevadas. Foram
feitos testes numéricos considerando diferentes horizontes de planejamento, onde o dia foi
dividido em 7 períodos, de 3 horas cada. Os dados utilizados são de parte da rede de distribuição
de água da cidade de São Carlos/SP. O modelo se mostrou eficiente, reduzindo
consideravelmente os gastos com energia elétrica. Além disso, os autores fizeram testes
computacionais considerando perdas nos sistemas, que mostraram que investimentos em
infraestrutura também minimizam os gastos com energia elétrica.
Gebrim (2013) desenvolveu um modelo matemático para o problema da operação das
bombas e das válvulas no sistema de abastecimento de água do Rio Descoberto, no Distrito
Federal. O modelo foi resolvido através do Algoritmo Genético. Neste trabalho o autor limita
a quantidade de acionamentos das bombas e das válvulas, já que estes acarretam custos á função
objetivo. Com isso, o autor conseguiu uma redução de cerca de 2,7% nos gastos com energia
elétrica.
Vega (2015) trabalhou num modelo matemático que é uma extensão do modelo
apresentado por Toledo et al. (2008), onde os autores lidam com a aleatoriedade da demanda
de forma explícita através da programação estocástica de dois estágios, de modo a suavizar o
risco de não-atendimento da demanda, e conseguem determinar cenários onde podem ocorrer
excesso ou falta de água.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Neste trabalho será investigado o modelo de otimização linear inteira mista para o
planejamento da operação de bombas hidráulicas em sistemas de abastecimento de água
proposto por Santos et al. (2015). Serão propostas alterações na formulação original, com a
inclusão de novas restrições, de modo a aproximar mais o modelo da realidade dos sistemas de
abastecimento de água.
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
De acordo com Vega (2015), no Brasil, estima-se que o setor industrial seja responsável
por 48% do total de energia elétrica consumida no país. Desse total, 7% são consumidos pelos
82
sistemas de abastecimento de água. Em Sampaio Filho (2004), o Brasil é o segundo país com
maior tarifa de energia elétrica, e o sétimo se não forem incluídos os impostos.
Desse modo, é de grande importância que as empresas de saneamento possam diminuir
seus gastos com energia elétrica, sem prejuízo no abastecimento.
O modelo proposto por Santos et al. (2015) se aproxima mais da realidade dos sistemas
de abastecimento de água em relação ao modelo de Toledo et al. (2008), pois considera que o
atendimento da demanda, em alguns casos, precisa ser feito através de bombas hidráulicas, com
base no sistema de abastecimento de uma região da cidade de São Carlos/SP. Além disso, são
consideradas que existem um conjunto de bombas hidráulicas responsáveis pelo transporte de
água entre os reservatórios, e não apenas uma bomba, diferenciando-o de alguns modelos vistos
na literatura.
4 CONCLUSÕES
Esperamos obter um modelo que se aproxime mais da realidade dos sistemas de
abastecimento de água das cidades brasileiras, fazendo assim com que haja uma diminuição
nos gastos com energia elétrica.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALPEROVITS, E.; SHAMIR, U. Design of Optimal Water Distribuition Systems. Water
Resourses Research, v. 13, no. 6, p. 885-900.
GEBRIM, D.V.B. Otimização operacional de sistemas de abastecimento de água com objetivo
de redução de custo de energia elétrica. 2013. 120 p. Dissertação (Mestrado em Tecnologia
Ambiental e Recursos Hídricos) – Faculdade de tecnologia, universidade de Brasília, 2013.
SAMPAIO FILHO, G.; ALCALDE, J.L. Análise de qualidade de Energia e Eficiência Energética
em Sistemas de Água e Saneamento. In: Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de
Abastecimento Urbano de Água, IV, 2004, João Pessoa. Disponível em:
<http://www.lenhs.ct.ufpb.br/html/downloads/serea/4serea/artigos/analise_de_qualidade_de_ener
gia_co.pdf.> Acesso em: 25 de agosto de 2017.
SANTOS, M.O.; FURLAN, M.M.; SOLER, E.M.; ARENALES, M.N. A Mixed-Integer
Programming Model for Pump Operations in a Water Distribution System. In: EURO2015 (27th
European Conference On Operational Research), 1, 2015, Glasgow. EURO2015. Glasgow: 2015.
P. 203-203.
TOLEDO, F.M.B.; SANTOS, M.O.; ARENALES, M.N.; SELEGHIM JR, P.S. Logística de
distribuição de água em redes urbanas – racionalização energética. Pesquisa Operacional, v. 28,
p. 75-91, 2008.
TSUTIYA, M.T. Redução do custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água.
ABES – Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. 2006.
VEJA, J.DE LA.; ALEM, D. Energy Rationalization in Watter Supply Networks via Stochastic
Programming. IEEE Latin America Transactions, v. 13, no. 8, p. 2742-2756.
83
MODELO DE OTIMIZAÇÃO MULTIOBJETIVO DE MINIMIZAÇÃO DE CUSTO E
EMISSÃO CONSIDERANDO FONTES DE ENERGIA EÓLICA E TÉRMICA
Andréa Camila dos Santos Martins
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Antônio Roberto Balbo
Orientador – Departamento de Matemática – Unesp – Bauru
Prof. Ph.D. Dylan Jones
Coorientador – Department of Mathematics - University of Portsmouth - Inglaterra
RESUMO
Neste trabalho será apresentado um modelo cujo objetivo é mostrar como a produção de energia
eólica pode auxiliar na redução da emissão de CO2 e nos custos operacionais de geração de
energia térmica. O modelo proposto é uma modelagem matemática de otimização multiobjetivo
com o objetivo de minimizar o custo de produção de energia eólica e térmica e os impactos
ambientais provenientes da queima de combustíveis. Os métodos de otimização multiobjetivo
utilizados foram o Método de restrições canalizadas progressivas, que transforma o problema
multiobjetivo em um conjunto de problemas mono-objetivo e as técnicas do Método Goal
Programming (programação por metas) a qual permite ao tomador decidir qual o melhor
critério para alcançar determinados objetivos ou metas de interesse. A resolução desses
problemas foi encontrada através do solver GAMS utilizando pacotes computacionais de
otimização que auxiliaram esses métodos a buscarem soluções eficientes apresentando casos
distintos de produção de energia.
PALAVRAS-CHAVE: otimização, energia eólica, multiobjetivo, programação por metas.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente o Brasil ocupa a 8ª posição no ranking mundial em capacidade instalada de
energia eólica, chegando a 13 GW (gigawatts) de potência instalada e com mais de 500 parques
eólicos. De acordo com o Boletim Anual de Geração Eólica (2016) foram evitadas a emissão
de 17,81 milhões de toneladas de CO2 no ano de 2016 e no ano seguinte essa redução atingiu
mais 20 milhões de toneladas, segundo a Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica)
(2018), assim a produção eólica dentro da matriz energética brasileira tem sido uma alternativa
para melhorar a redução da emissão de CO2 e diminuição dos custos operacionais de produção
de energia térmica.
Neste trabalho um modelo multiobjetivo de despacho econômico que correlaciona a
produção simultânea de energia térmica e eólica, seus custos de produção e despacho ambiental
será investigado para verificar a eficiência da matriz eólica na redução da emissão de CO2. O
modelo proposto é uma combinação do despacho econômico e ambiental das usinas térmicas e
o despacho econômico das usinas eólicas cujo o objetivo é minimizar simultaneamente os
custos e a emissão de CO2, atendendo a uma demanda de produção determinada e restrições
operacionais dos geradores térmicos e eólicos.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
O despacho econômico e ambiental para o sistema de geração térmica visto em
84
Gonçalves (2015) tem como objetivo minimizar respectivamente, o custo dos combustíveis e a
emissão dos poluentes que ocorrem através da queima de combustíveis fósseis, e ao mesmo
tempo atender as restrições operacionais do problema. O despacho econômico relativo as usinas
eólicas é um modelo estocástico apresentado em Hetzer (2008), onde a velocidade dos ventos
é uma variável aleatória, sendo assim necessário utilizar a distribuição de probabilidade de
Weibull para a análise do aproveitamento da energia eólica.
Os métodos para a resolução do modelo proposto são o Método de restrições canalizadas
progressivas encontradas em Santos (2016) e a técnica de programação por metas encontrado
em Jones (2010).
Para modelos de otimização multiobjetivo, o método de restrições canalizadas
progressivas transforma o problema original em um conjunto de subproblemas mono-objetivos.
Para um modelo proposto, a função custo torna-se a função objetivo do modelo e a função
ambiental é incorporada às restrições deste, sendo limitada superior e inferiormente para níveis
mínimos e máximos de emissão, de acordo com o problema mono-objetivo. Os limitantes de
famax e fa
min utilizados são calculados da seguinte forma:
- famin é o valor mínimo da função objetivo ambiental determinada pela minimização de
fa sujeito as restrições do modelo, onde o valor de (fe + fw)max também é calculado.
- famax é o valor máximo da função objetivo ambiental determinada pela minimização de
fe + fw sujeito as restrições do modelo, onde o valor de (fe + fw)min também é calculado.
As soluções famin, (fe + fw)min, fa
max e (fe + fw)max são as soluções lexicográficas do
problema que serão utilizadas para determinar as metas a serem alcançadas para a técnica de
otimização por metas.
A programação por metas é uma técnica de otimização multiobjetivo, que permite ao
tomador decidir qual o melhor critério a ser utilizado para alcançar determinados objetivos ou
metas de interesse a serem alcançadas. Algumas das componentes que aparecem na formulação
do Goal Programming são: a meta e as variáveis de desvio. A meta é o valor ideal de solução
para os objetivos a serem alcançados, a qual nem sempre é um valor fácil de ser encontrado,
pois como as funções objetivos são conflitantes a solução ideal seria muito difícil de ser
encontrada. As variáveis de desvio vão determinar o quanto a solução encontrada está abaixo
(desvio negativo) ou acima (desvio positivo) da meta estabelecida, fazendo assim parte da
função critério (função objetivo do Goal Programming). O critério utilizado para resolução
desse modelo foi o Goal Programming Weigthed o qual permite compensar diretamente todas
as variáveis de desvio colocando-as em uma função critério ponderada e normalizada.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Ao analisarmos a importância da produção eólica na redução da emissão de CO2
precisamos comparar a quantidade de emissão que um sistema de energia produziria sem a
inserção das usinas eólicas e posteriormente como as eólicas auxiliam nessa redução dentro
desse sistema. Uma simulação baseado nos dados encontrados na literatura foi realizada para a
resolução do modelo considerando os seguintes casos:
Caso 1) 1A: sem usinas eólicas e 1B: com usinas eólicas: contendo 3 geradores térmicos
e 5 usinas eólicas e demanda de produção de potência de 850 MW.
Caso 2) 2A: sem usinas eólicas e 2B: com usinas eólicas: contendo 6 geradores térmicos
e 1 usina eólica com 10 turbinas e demanda de produção de potência de 283.4 MW.
85
Os resultados obtidos foram calculados utilizando o pacote computacional Knitro
encontrado no software Gams.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos pelo Goal Programming foram comparados para cada caso,
analisando a quantidade de redução da emissão de CO2. Para o caso 1 foram evitados a emissão
de 344.25 Kg/h (15.84%) e para o caso 2 foram evitados a emissão de 42.98 Kg/h (19%),
mostrando assim que a utilização da energia eólica tem uma influência significativa na redução
da emissão de CO2, para o atendimento das demandas de produção de energia consideradas.
5 CONCLUSÕES
Esse trabalho permitirá analisar como a inserção das usinas eólicas podem auxiliar na
redução da emissão de CO2 e de custo operacionais para a produção de energia envolvendo as
usinas térmicas e eólicas. Para trabalhos futuros o problema multiobjetivo será definido a partir
da consideração separada de 3 funções objetivos: custo dos combustíveis, redução da emissão
e custo de produção eólica e novas técnicas Goal Programming serão utilizadas para analisar o
equilíbrio entre os objetivos propostos determinando metas a serem alcançadas para cada um
deles considerando-se separadamente e concomitantemente esses objetivos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA (ABEEólica). Boletim Anual de
Geração Eólica 2016. Disponível em: http://www.abeeolica.org.br/dados-abeeolica/. Acesso
em: 29 jun 2018.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA (ABEEólica). Dados mensais -
Fevereiro de 2018. Disponível em: http://www.portalabeeolica.org.br/dados-abeeolica/.
Acesso em: 29 jun 2018.
GONÇALVES, E. Métodos hídridos de pontos interiores/exteriores e de aproximantes de
funções em problemas multiobjectivo de despacho econômico e ambiental. 2015. 172 f.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Estadual Paulista "Júlio de
Mesquita Filho" - Faculdade de Engenharia de Bauru, Bauru, 2015.
HETZER, J. et al. An economic dispatch model incorporating wind power. IEEE
Transactions on energy conversion, v. 23, p. 603-611, 2008.
JONES, D. F.; TAMIZ, M. Practical goal programming. Volume 141. New York: Springer,
2010.
SANTOS, M. R. B. Métodos de pontos interiores/exteriores, de restrições canalizadas
progressivas e de suavização arco tangente, em problemas de despacho econômico e
ambiental. 2016. 142 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Estadual
Paulista "Júlio de Mesquita Filho" - Faculdade de Engenharia de Bauru, Bauru, 2016.
86
ANÁLISE DE ALGORITMOS DE APRENDIZADO DE MÁQUINAS COM USO DA
MATRIZ DE CONFUSÃO NO DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES
Marco Akio Ikeshoji
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – UNESP – Bauru
Prof. Dr. André Nunes de Souza
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – UNESP – Bauru
Prof. Dr. Danilo Sinkiti Gastaldello
Coorientador – Depto de Engenharia Elétrica – Universidade Sagrado Coração – Bauru
RESUMO
O uso da análise qualitativa e quantitativa dos gases dissolvidos no óleo isolante (DGA) do
transformador de potência em conjunto com métodos de diagnósticos de falhas disponíveis tem
permitido identificar possíveis anormalidades incipientes e assim providenciar adequada
manutenção do equipamento. Nesse contexto, diversos métodos de aprendizagem de máquinas
(AM) tem sido desenvolvidos e bons resultados de desempenho em classificações de falhas
apresentados, entretanto, uma análise cuidadosa revela que o maior resultado global de acurácia
nem sempre reflete o melhor desempenho. Neste trabalho são analisadas as assertividades dos
algoritmos AM supervisionados Multi-layer Perceptron (MLP) e Extreme Learning Machine
(ELM) com emprego da matriz de confusão na análise de DGA.
PALAVRAS-CHAVE: Análise de Gás Dissolvido, MLP, ELM, Matriz de Confusão.
1 INTRODUÇÃO
O transformador de potência a óleo é considerado um elemento essencial para o
funcionamento do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica. A sua saída abrupta
de operação do sistema pode ocasionar grandes prejuízos financeiros, instabilidade ao sistema
e incômodo aos envolvidos, logo, a adoção de medidas que permitam acompanhar seu estado
funcional e garantir continuidade do fornecimento de energia se faz necessária. A produção de
diferentes tipos e quantidades gases decorrentes da decomposição do óleo mineral e papel
isolante do transformador está relacionado diretamente aos esforços térmicos e elétricos ao qual
o equipamento é submetido. Um acompanhamento desses tipos de gases em conjunto com uso
de métodos de diagnósticos de falhas (por exemplo, métodos clássicos contidos na IEEE
C57.104 e IEC 60599) permite determinar como está a saúde do transformador, entretanto, nem
sempre os níveis de assertividade das falhas são ideais e assim demandam a análise
complementar de um especialista para o veredito final. É nesse contexto e com objetivo de
prover soluções para ambas as situações nessa área que a AM vem sendo pesquisada e
desenvolvida. Modelos de algoritmos AM supervisionados usam dados com informações à
priori dos gases e rótulos de diversos transformadores para treino e teste, entretanto, esses
modelos normalmente são mal condicionados (SILVESTRE, 2015) e somado ao fato da
existência de possíveis incertezas das medições inseridas nos dados, implicam na redução dos
níveis de acurácia dos resultados. Apesar dessa redução, tais valores podem ser equiparáveis
ou superiores aos métodos clássicos como visto em NETO (2009). Uma simples análise com
emprego da matriz de confusão dos resultados de classificação das falhas, revela os cuidados
que acercam a interpretação dos dados e mostra que observar apenas o resultado global de
acurácia não significa ser uma condição suficiente para caracterizar o desempenho das AM
apresentadas.
87
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Diversos trabalhos de AM têm sido desenvolvidos para análise e diagnóstico de falhas
em transformadores entre os quais se encontram NETO (2009), VENKATASAMI & LATHA
(2016) e FILHO (2012), no entanto ainda persiste a utilização dos métodos clássicos como meio
de análise oficial bem como para validação de laudos e documentos técnicos afins, relegando o
desenvolvimento das AM às pesquisas ou interesses particulares de empresas. Certamente, um
dos obstáculos que restringe a aplicação da AM se deve a insegurança em destinar a
responsabilidade da análise de falhas a uma máquina cuja consequência final pode ser
desastrosa tendo em vista uma classificação inadequada. Pressupõe-se que a superação desta
barreira se dará à medida que forem eliminados os erros de diagnósticos, se não todos, pelo
menos para os casos críticos. Um dos meios de verificar o desempenho dos algoritmos de AM
empregados (ou em desenvolvimento) na classificação de falhas pode ser feito com uso e
análise da matriz de confusão dos resultados.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Para treinamento e teste dos algoritmos AM foram usados dados de 189 transformadores
com informações de 05 tipos de gases dissolvidos (H2, CH4, C2H2, C2H4 e C2H6) e seus devidos
rótulos (normal, falha elétrica e falha térmica) distribuídos em proporções iguais com 63
unidades de cada tipo. Cerca de 70% dos dados foram usados para treino e 30% para teste,
ambos aleatoriamente distribuídos. Simulou-se 10 vezes cada algoritmo e os resultados de
desempenho global junto com as matrizes de confusão de falhas são apresentados. Na
arquitetura do MLP (KOVÁCS, 2006) empregou-se três camadas formadas por 5 neurônios na
entrada, 10 na oculta (determinado empiricamente) e 3 na saída, o algoritmo de treinamento
Levenberg Marquardt ajustado para 1500 épocas, com limite de erro igual 0,0001, taxa de
aprendizado 0,001 e função de ativação tangente hiperbólica. Para a arquitetura ELM
(HUANG, 2012) utilizou-se os valores de C=0,0625 e =3,8147.10-6 obtidos empiricamente e
não se atribuiu o número de neurônios visto que são constituídos pelos dados de entrada e
função Kernel. Em se tratando de redes com saídas multiclasses, a classe de saída é definida
através do neurônio que apresenta o maior valor entre os demais.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A consequência dos erros nos diagnósticos reflete em prejuízos de ordem social e
financeira. A situação indesejada que confere maior gravidade ocorre quando há uma falha em
andamento e mesma é classificada como normal, e em menor gravidade quando as falhas são
trocadas ou a condição normal é classificada como falha. Nos métodos clássicos isso é resolvido
pelo especialista no assunto, mas na AM o desafio está em como contornar essas situações, seja
na forma de tratamento dos dados de entrada ou na escolha/desenvolvimento de algoritmos que
alcancem o objetivo que melhore a acurácia. A Tabela 1 apresenta os valores percentuais de
acerto mínimo de 82,46% e máximo de 87,72% para MLP, porém, observando-se suas matrizes
de confusão, o menor percentual se mostrou com melhor resultado. Já o resultado do algoritmo
ELM ficou abaixo da MLP, entretanto, estável.
Tabela 1 – Matriz de Confusão
MLP – Acerto 82,46% MLP – Acerto 87,72% ELM – Acerto 82,46%
Falhas Térmica Elétrica Normal Térmica Elétrica Normal Térmica Elétrica Normal
Térmica 17 2 0 17 0 2 17 1 1
88
Elétrica 0 18 1 0 18 1 2 15 2
Normal 4 3 12 3 1 15 2 2 15
A Fig. 1 ilustra o comportamento da MLP e ELM para os dados de DGA empregados.
Fig. 1 – Percentual de acertos de DGA.
4 CONCLUSÕES
A validação do desempenho das redes observando apenas o resultado global pode não
ser suficiente (exceto para acertos nos diagnósticos de 100%) devido às circunstâncias de
incertezas nos dados e condicionamento dos modelos de AM inseridas, logo, uma análise mais
cuidadosa deve ser realizada e o uso da matriz de confusão contribui para avaliação e escolha
do algoritmo AM mais adequado.
Como continuidade desse trabalho serão investigados outros procedimentos de
tratamento de dados e algoritmos AM que permitam melhorar os casos de erros de diagnósticos
principalmente nos casos críticos para que sejam minimizados ou eliminados. De outro modo,
novas propostas deverão ser desenvolvidas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FILHO, G. L. Comparação entre os critérios de diagnósticos por análise cromatográfica de
gases dissolvidos em óleo isolante de transformador de potência, Dissertação (Mestre em
Engenharia Elétrica), USP, São Carlos-SP, 2012.
HUANG G. B.; ZHOU, H.; DING, X.; ZHANG R. Extreme Learning Machine for Regression
and Multiclass Classification, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. Part B,
Cybernetics, v. 42(2), pp.513–29, 2012.
KOVÁCS, Z. L. Redes Neurais Artificiais – Fundamentos e Aplicações, 4 ed., São Paulo: Editora
Livraria da Física, 2006.
NETO, A. D.; ASSUNÇÃO, T. C. B. N.; ASSUNÇÃO J. T. Classificação dos Transformadores
de Potência Empregando a Análise dos Gases Dissolvidos no Óleo Isolante, In: IX CBRN -
Congresso Brasileiro de Redes Neurais/Inteligência Computacional, Ouro Preto-MG, 2009.
SILVESTRE. L. J. Regularização de Extreme Learning Machines: uma abordagem com
Matrizes de Afinidade, Tese (Doutor em Engenharia Elétrica), UFMG, Belo Horizonte-MG, 2015.
VENKATASAMI, A.; LATHA, P. Application of Extreme Learning Machine in Fault
Classification of Power Transformer, Circuits and Systems, v. 7(10), pp. 2837–28, 2016.
89
MODELAMENTO DE CICLO DE VIDA PARA TRANSFORMADORES DE
POTÊNCIA EMPREGANDO TEORIA DE POTÊNCIA CONSERVATIVA
Halley J. Braga da Silva
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Flavio Alessandro Serrão Gonçalves
Orientador – Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba – Unesp – Sorocaba
RESUMO
O escopo do trabalho trata estudos e desenvolvimento de modelos do ciclo de vida de
transformadores de potência, trazendo uma abordagem especifica para vertente da Teoria da
Potência Conservativa do inglês Conservative Power Theory (CPT). As análises utilizarão
dados de medição de grandezas elétricas, como principais variáveis para a elaboração do
modelo, como variáveis secundárias poderão estar inclusas no projeto, medições de temperatura
e mensuração de elementos químicos. Concentrando o desenvolvimento em um banco de dados
de uma distribuidora de energia, utilizando ferramentas computacionais pretende-se chegar a
um modelo com possibilidades de ser adaptativo, que reproduza com fidelidade o ciclo de vida
do transformador de potência com especificidade aos transformadores de potência das
subestações de distribuição. Por fim, tomando os resultados das simulações computacionais e
análise crítica dos resultados, espera-se ter aspectos que contribuam para melhoria da gestão
deste ativo elétrico de grande importância para o sistema elétrico de potência.
PALAVRAS-CHAVE: Ciclo de Vida de Transformadores, Transformadores de Potência,
Gestão de Ativos Elétricos.
1 INTRODUÇÃO
Os transformadores de potência, são os dispositivos mais críticos e caros de um sistema
de potência [1]. Podendo comprometer até 60% do valor do investimento necessário para a
construção de uma subestação. Assim, este importante componente do sistema elétrico de
potência deve ser um dispositivo de alta taxa de confiabilidade, para que os desembolsos
realizados com o investimento não se percam com energia não suprida ou penalizações das
agências regulatórias.
Em [2] é relatado que anteriormente a 1942 os efeitos da degradação do isolamento dos
condutores do enrolamento em função do tempo e temperatura a que eram submetidos já eram
conhecidos. Em 1956 a American Institute of Electrical Engineers (AIEE) criou um grupo de
trabalho para abordar a influência do carregamento dos transformadores em seu ciclo de vida.
No Brasil o Manual de Controle Patrimonial do Setor Elétrico – MCPSE estabelece a
taxa de depreciação anual para transformadores de potência em 2,86%, perfazendo
aproximadamente um montante de 35 anos para sua depreciação total [3], não sendo
interessante para o investidor que a máquina não complete seu ciclo de vida, logo o
gerenciamento das manutenções deve ser eficaz, conservando o ativo durante todo seu ciclo
tarifário. Nesse contexto, torna-se imprescindível a existência de modelos que estimem com
fidelidade o ciclo de vida de um transformador em função de suas condições operacionais. Esse
trabalho tem como escopo contribuir com o desenvolvimento e/ou aprimoramento de modelos
de ciclo de transformadores de potência com especificidade a transformadores de subestações
de distribuição.
90
2 REVISÃO DA LITERATURA
Conforme [2], os efeitos ocasionados da degradação do isolamento dos condutores do
enrolamento de um transformador em função do tempo e temperatura a que eram submetidos
já eram conhecidos antes de 1942. Porém, não existia um estudo específico que identificava
quais os níveis aceitáveis de carregamentos em transformadores de potência e seus
consequentes efeitos no ciclo de vida dessa máquina elétrica.
Em [4] é apresentado um modelo de custo do ciclo de vida, denominado Lyfe Cycle
Cost (LCC) para transformadores, no qual é levada em consideração a monetização ao longo
do tempo dos custos diretos e indiretos do ciclo de vida de um transformador, onde os custos
podem variar de 3 a 9 itens, dependendo da abrangência e profundidade do estudo.
Uma ferramenta de avaliação do ciclo de vida de um transformador é apresentada em
[5] trazendo uma abordagem específica em Smart Substation, onde a avaliação em tempo real
traz melhoras significativas neste contexto.
Abordagens envolvendo modelos térmicos do transformador são desenvolvidos em [6],
[7] e [8], melhorando toda metodologia de estimação térmica dos componentes internos do
transformador bem como do meio isolante.
Em [9] é apresentado os resultados de perda no ciclo de vida de transformadores em
função de componentes harmônicos presentes no sistema elétrico, tornando-se necessário a
avaliação do uso de novas teorias de potência, com abordagens de análises no domínio do
tempo, que possam contribuir com as novas condições de trabalhos que estes transformadores
são submetidos em função de não linearidade das atuais cargas com consequentes distúrbios de
qualidade de energia. Por outro lado, novas teorias de potência têm sido propostas por diversos
pesquisadores visando englobar em sua análise todos os fenômenos presentes na energia
elétrica. Umas das teorias estudadas para explicação desses fenômenos é a Teoria de Potência
Conservativa (CPT). Através da utilização dessa teoria é possível fazer a análise de circuitos
elétricos em condições não senoidais e assimétricas [10].
3 MATERIAL E MÉTODOS
A metodologia será baseada na realização de uma modelagem físico/matemática de um
transformador de potência dentro das faixas mais usuais em subestações de distribuição de 5 a
40 MVA, empregando técnicas de análise baseadas na CPT para permitir a avaliação de
respostas temporais do modelo.
Através da modelagem serão extraídas funções que possibilitarão descrever o
comportamento ao longo do ciclo de vida de um transformador, o qual será comparado com
uma base de dados de um ciclo de vida de um transformador real.
No projeto serão utilizados como ferramentas softwares e ferramentas de simulação, de
forma a se obter respostas para o modelo em epigrafe deste projeto, de maneira que se possa
estabelecer uma previsão, ou curva característica comportamental da máquina elétrica em
estudo. Após os estudos dos modelamentos concluídos e com as simulações realizadas, é
esperado poder contribuir com a todos os stakeholders, para base de novas ferramentas de
gestão do ativo elétrico, melhorias ou novas metodologias para avaliação de manutenção e ou
variáveis que devem ser levadas em consideração quando da avaliação do ciclo de vida do
transformador.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O trabalho em questão está em fase de desenvolvimento de levantamento bibliográfico,
91
ainda não possuindo propostas de melhorias ou modelos consolidados.
5 CONCLUSÕES
Espera-se com o desenvolvimento do projeto poder efetuar contribuições nas
metodologias de modelagem para estimar o comportamento do ciclo de vida do transformador
incluindo análises embasadas na CPT. Com os modelos consolidados e validados, espera-se
avalia-los através de uma ferramenta de diagnóstico computacional considerando um universo
maior de dados que os empregados para sua concepção. Com os resultados obtidos através de
cálculos, simulações e curvas, há a expectativa de contribuir com a elaboração de materiais
técnicos, abordando aspectos construtivos, dinâmicos, curvas características, comportamentos
frente a situações adversas, tendo como abordagem a utilização da CPT.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] M. PRADHAN e T. RAMU, “Criteria for estimation of end of life of power and station
trasnformer in service,” em Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric
Phenomena, 2004.
[2] W. J. MCNUTT e G. H. KAUFMANN, “Evaluation of Funcional Life Test Model for Power
Transformer,” IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, pp. 1151-1162, 5 May 1983.
[3] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL, MANUAL DE CONTROLE
PATRIMONIAL DO SETOR ELÉTRICO - MCPSE, 2015.
[4] Q. GUO-HUA, R. ZHENG, S. LEI, Z. Bo, X. JIAN-GANG e Z. XIANG-LING, “A New Life
Cycle Cost Model of Power Transformer and Its Comprehensive Sensitivity Analysis,” em International
Conference on Power System Technology (POWERCON 2014), Chengdu, 2014.
[5] J. L. P. BRITTES, E. NUNES, J. A. JARDINI, L. C. MAGRINI e P. KAYANO, “T&ERTTA,
Technical & Economical Real Time Transformer Assessmemnt: An Innovative Approach on Power
Transformer Life Cycle Management,” 2014.
[6] G. SWIFT, T. S. MOLINSKI e L. WALDEMAR, “A Fundamental Approach to Transformer
Thermal Modeling—Part I: Theory and Equivalent Circuit,” IEEE TRANSACTIONS ON POWER
DELIVERY, pp. 171-175, 2 APRIL 2001.
[7] S. DEJAN, M. LEHTONEN e H. NORDMAN, “Dynamic Thermal Modeling of Distribution
Transformers,” IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, pp. 1919-1929, 3 JULY 2005.
[8] D. SUSA e M. LEHTONEN, “Dynamic Thermal Modeling of Power Transformers: Further
Development—Part I,” IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, pp. 1961-1970, 4
OCTOBER 2006.
[9] A. ELMOUDI, M. LEHTONEN e H. NORDMAN, “Effect of Harmonics on Transformers Loss
of Life,” em IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2006.
[10] H. K. M. PAREDES, Teoria de Potência Conservativa: Uma Nova Abordagem para o Controle
Cooperativo de Condicionadores de Energia e Considerações Sobre Atribuição de Responsabilidades.
Tese de Doutorado. Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2011.
92
PROJETO DE UM INVERSOR MULTIFUNCIONAL PARA COMPENSAÇÃO DE
OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA INSTANTÂNEA
José de Arimatéia O. Filho
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Helmo K. Morales Paredes
Orientador – Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
Coorientador – Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Jakson Paulo Bonaldo
Coorientador – Departamento de Engenharia Elétrica – UFMT – Cuiabá
RESUMO
O objetivo principal deste trabalho é apresentar os termos básicos da Teoria da Potência
Conservativa (CPT) e sua aplicação para compensar oscilações da potência instantânea em
sistemas trifásicos a três condutores. Os sinais de referência para o conversor multifuncional
são derivados das características da potência instantânea e da energia reativa instantânea
definidas pela CPT, sendo que as componentes oscilantes de potência são definidas diretamente
no sistema de coordenadas a-b-c. A estratégia de compensação proposta é avaliada através de
simulações computacionais.
PALAVRAS-CHAVE: Compensação de Potência Instantânea, Conversores Multifuncionais,
Qualidade de Energia Elétrica, Teoria da Potência Conservativa.
1 INTRODUÇÃO
A geração de energia elétrica baseada em fontes de energia renováveis (FER) é uma
área que tem concentrado muitos esforços de pesquisa no Brasil e no mundo. Atualmente,
tecnologias baseadas em FER têm ofertado soluções cada vez mais atraentes para a integração
de recursos de energia distribuída. Entretanto, as FER, especialmente baseadas em sistemas
fotovoltaicos e eólicos, são altamente influenciadas por condições climáticas e suas
distribuições geográficas. Desta forma, um dos maiores obstáculos ocasionados pela
intermitência das FER e imprevisibilidade do consumo energético, são as oscilações de potência
instantâneas. Portanto, em uma microrrede trifásica de três condutores, os problemas de
qualidade de energia estão relacionados com as harmônicas, desequilíbrios e oscilações da
potência instantânea. Assim, este trabalho foca no problema da oscilação da potência
instantânea, a qual é suprimida por meio de um conversor eletrônico de potência (CEP)
trifásico. Para isso, propõe-se a utilização dos termos instantâneos de potência e energia reativa
definidos pela CPT (PAREDES, 2011), como uma forma alternativa e inovadora de projeto e
controle do CEP trifásico a três condutores.
2 METODOLOGIA
O emprego da CPT tem sido de extrema importância na identificação das parcelas de
potência/corrente que devem ser compensadas para redução de distúrbios nas redes. Nesta
teoria, o termo da potência instantânea é definido pelo produto escalar entre os vetores de tensão
93
(𝒗) e corrente (𝒊), enquanto a energia reativa instantânea é definida conforme (2), sendo um
vetor que contém as integrais imparciais das tensões de fase, calculado pela diferença entre a
integral de tempo e seu valor médio, como mostrado em (3)
𝑝(𝑡) = 𝒗 ∘ 𝒊 = [𝑣𝑎 𝑣𝑏 𝑣𝑐] ∘ [
𝑖𝑎
𝑖𝑏
𝑖𝑐
] (1)
𝑤(𝑡) = ∘ 𝒊 = [𝑎 𝑏 𝑐] ∘ [
𝑖𝑎
𝑖𝑏
𝑖𝑐
] (2)
𝑚 = ∫ 𝑣𝑚(𝜏)𝑑𝜏
𝑡
0
−1
𝑇∫ [∫ 𝑣𝑚(𝜏)𝑑𝜏
𝑡
0
] 𝑑𝑡
𝑇
0
(3)
Com o auxílio das expressões (1) e (2) calculam-se a potência ativa, 𝑃, em Watts e a
energia reativa, 𝑊, em Joules de acordo com as expressões (4) e (5), respectivamente.
Baseando-se nas definições em (4) e (5), a CPT decompõe as correntes de fase das cargas como
sendo a soma de cinco subcomponentes, as quais são: correntes ativas balanceadas, reativas
balanceadas, ativas desbalanceadas, reativas desbalanceadas e correntes residuais.
𝑝 =1
𝑇∫ 𝑝(𝑡)𝑑𝑡
𝑇
0
=1
𝑇∫(𝑣𝑎𝑖𝑎 + 𝑣𝑏𝑖𝑏 + 𝑣𝑐𝑖𝑐)𝑑𝑡
𝑇
0
= 𝑃 (4)
𝑤 =1
𝑇∫ 𝑤(𝑡)𝑑𝑡
𝑇
0
=1
𝑇∫(𝑎𝑖𝑎 + 𝑏𝑖𝑏 + 𝑐𝑖𝑐)𝑑𝑡
𝑇
0
= W
(5)
A estratégia para compensar as oscilações de potência instantânea pode ser obtida
através da decomposição de (1) e (2) com base em valores médios e oscilatórios. Portanto, os
termos instantâneos de potência e energia reativa definidos em coordenadas a-b-c resultam em,
respectivamente, (6) e (7), sendo que “” representa as componentes oscilatórias de cada termo
instantâneo. Ressalta-se ainda que as componentes médias, descritas por “–”, podem ser
extraídas conforme (4) e (5) e são válidas independentemente das formas de onda de tensão e
corrente.
𝑝(𝑡) = 𝑝 + 𝑝 (6)
𝑤(𝑡) = 𝑤 + (7)
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A fim de validar a estratégia de compensação e o algoritmo de controle proposto para o
inversor multifuncional, foi simulado através do software PSIM® um circuito composto por
um CEP (CC/CA) com um filtro LCL na saída, uma carga trifásica não linear desbalanceada e
a rede elétrica. Em relação ao controle do sistema, projetou-se um controlador proporcional-
ressonante para a malha de corrente e um proporcional integral para a malha de tensão do CEP
(BONALDO, 2015). O objetivo da simulação é mostrar a eficácia do método para atingir
potência instantânea constante. A seguir são apresentados os resultados de simulação para o
conversor funcionando apenas como filtro ativo de potência (FAP), visto que o projeto está em
fase de desenvolvimento. Para os resultados da Fig. 1-a, considera-se uma carga linear
desequilibrada (CLD). Nesta configuração, o CEP está programado para compensar apenas as
componentes oscilatórias de potência. Nota-se que, para t < 1,2 s, o FAP está desligado e as
correntes pela rede (𝑖𝑔𝑎, 𝑖𝑔𝑏 e 𝑖𝑔𝑐) são senoidais, porém desequilibradas, analogamente com as
tensões em relação ao ponto virtual (𝑣𝑃𝐴𝐶−𝑎, 𝑣𝑃𝐴𝐶−𝑏 e 𝑣𝑃𝐴𝐶−𝑐). Com o acionamento do FAP
94
em t > 1,2 s, a corrente pela rede torna-se equilibrada, devido a ação das correntes instantâneas
injetadas pelo filtro (𝑖𝑔𝑎, 𝑖𝑔𝑏 e 𝑖𝑔𝑐). Como a carga é do tipo indutiva, a corrente compensada
continua atrasada em relação tensão, uma vez que a energia reativa média (𝑔) não está sendo
compensada. Por outro lado, tanto a potência oscilatória (𝑝𝑔) quanto a energia reativa
oscilatória (𝑔) vistas na rede são praticamente anuladas pela ação do FAP. Os resultados da
Fig. 1-b, provém de um sistema composto por uma CLD e por um retificador trifásico a diodos
com carga capacitiva. Observa-se que antes da compensação (t < 1,2 s) a distorção harmônica
da corrente produz uma oscilação não senoidal nas componentes oscilatórias (𝑝𝑔 e 𝑔).
Contudo, com o acionamento do CEP, operando como FAP, em t > 1,2 s, tanto o desequilíbrio
quanto a distorção harmônica da corrente pela rede são compensados, o que leva à eliminação
das componentes de potências oscilatórias.
Figura 12 – (a) Sistema simulado com CLD, (b) Sistema simulado com carga não linear
desequilibrada
4 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi apresentada uma estratégia de compensação de oscilações de potência
instantânea, a qual é baseada nos termos instantâneos e CPT. Verificou-se que a estratégia de
compensação proposta permite que sistemas de potência operem com potência instantânea
constante, mesmo para diferentes configurações de cargas desbalanceadas lineares e/ou não
lineares.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
PAREDES, H. K. M. Teoria de Potência Conservativa: Uma nova Abordagem para o Controle
Cooperativo de Condicionadores de Energia e Considerações sobre Atribuição de
Responsabilidades. 2011. 221p. Tese (Doutorado) — FEEC/UNICAMP, 2011.
BONALDO, J. P. Multifuncionalidade de Conversores Eletrônicos de Potência Utilizados em
Microrredes Inteligentes. 2015. 160p. Tese (Doutorado) — FEEC/UNICAMP, 2015.
95
UM SISTEMA DE COLHEITA DE ENERGIA VIA MÉTODO DE
CARDANO TARTAGLIA
Daniel Zarpelão Porcel
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Antônio Roberto Balbo
Orientador – Depto. De Matemática – Unesp – Bauru
Prof. Dra. Célia Aparecida dos Reis
Coorientadora – Depto. De Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
Nos dias atuais a produção e o consumo de energia são fatores importantes para todas as
atividades humanas, sendo elas para meios sociais como profissionais e que com isso há uma
grande demanda global a ser atendida. Esse aumento da demanda global faz com que seja visado
um aumento do estudo da colheita de energia (“energy harvesting”), isto é, estudo de
dispositivos que colhem tipos de energia disponíveis no ambiente (energia eólica, energia
associado às ondas do mar, energia solar, energia térmica, por exemplo) e faz a conversão destas
em energia elétrica utilizável, que pode ser armazenada ou utilizada diretamente. Para este
trabalho, é apresentado o estudo de um sistema de colheita de energia modelado por equações
diferenciais ordinárias não lineares e que foi investigado e com soluções pré-determinadas
através da técnica de Cardano Tartaglia.
PALAVRAS-CHAVE: Sistema de Colheita de Energia, Cardano Tartaglia.
1 INTRODUÇÃO
Nos dias atuais o uso de tecnologia tem se tornado cada vez mais importante e em grande
quantidade, fazendo com que a demanda global aumente constantemente, sendo ela em vários
aspectos como transporte, processos industriais, lazer, entre outros. Dessa maneira, consiste em
dois tipos de energia sendo elas denominadas como energias de fontes renováveis e não
renováveis.
As renováveis são aquelas que têm precedentes naturais como a energia solar, eólica,
hidráulica. Porém as não renováveis são aquelas determinadas por fontes como o petróleo,
carvão, energia nuclear e que tem um fornecimento limitado, sendo que um dia se esgotará.
Com o uso dessas energias não renováveis serem cada vez maior, a preocupação
aumenta cada vez mais, o que fez com que crescesse o estudo de “energy harvesting” (colheita
de energia). Esse estudo consiste na transformação de energia proveniente de fontes naturais
em energia elétrica. Essa transformação é feita através da conversão de energia mecânica, criada
por uma fonte de vibração do ambiente, conforme visto em Iliuk (2011).
Nesse trabalho, é apresentado um sistema de colheita de energia de um material
pizoelétrico estudado por Ghoulli (2016) e a partir dele é feita a resolução desse sistema por
uma equação desenvolvida pelo método Cardano Tartaglia, devido às características extraídas
do modelo proposto e sua equivalência com uma equação polinomial do 3º grau.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Mesmo com o desenvolvimento das técnicas de análise e controle de sistemas lineares,
96
a busca para análise de sistemas não lineares está em expansão. Um exemplo disso são as
técnicas baseadas na teoria de Lyapunov e métodos de linearização exata, estudados em Isidori
(1995), Silva (2003), Slotine (1991). Neste trabalho, o sistema não linear apresentado é baseado
no trabalho de Ghoulli (2016) e de Arbex (2016). Além disso, foi estudado e encontrado
soluções pré-definidas pelo método de Cardano Tartaglia.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Em nosso trabalho, será considerado um sistema de colheita de energia modelado por
equações não lineares, descrito com os elementos de modo que x(t) é o deslocamento relativo
da massa rígida m, v(t) é a voltagem de resistência, δ é a taxa de amortecimento mecânico, γ é
o parâmetro de rigidez, X é o termo de acoplamento piezoelétrico na equação mecânica, k é o
termo de acoplamento piezoelétrico no circuito elétrico, β constante de tempo do circuito
elétrico, α é o ganho e τ o tempo de atraso, enquanto f e λ são respectivamente a amplitude e a
frequência de excitação, conforme estudado por Ghouli (2016) e Arbex (2016) e descrito a
seguir: 2 3 (t)
0(t) (t) (t) x(t) (t ) f cos( t) (1)
(t) (t) k (t) 0 (2)
vx x x X x
v v x
A partir desse sistema, o autor Ghoulli (2016) fez alguns estudos e utilizou uma técnica de
multiplicação escalar, de modo que com todas as substituições aderidas pelo autor, transformasse em
um novo sistema de equações diferenciais de primeira ordem, da seguinte maneira:
1
0 0
332
0 0 0
sin( )2 2
. (3)
cos( )2 2 2
Cda fa
dt
CCd fa a a
dt
Na próxima seção, será apresentado os cálculos feitos através do método do Cardano Tartaglia,
ao invés de utilizar o método Quase-Periódico conforme feito pelo autor.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para transformar um sistema de equações diferenciais em uma equação de Cardano
Tartaglia, é necessário fazer alguns procedimentos que serão essenciais, sendo o primeiro deles,
a determinação dos seus pontos críticos do sistema (3), considerando da
dt=
d
dt
= 0. Assim, é
possível aplicar a resolução na primeira linha do sistema (3) e obter:
2 2 2
11
1
( ), ( ) , cos( ) . (4)f C aCf
a sen sen aC f f
Substituindo o valor do 2 2 2
1cos( )f C a
f
na segunda linha do sistema, obtém-se
uma equação do 6º grau da forma:
2 6 4 2 2 2 2
3 2 3 1 22 ( ) 0. (5)C a C C a C C a f
97
Para utilizar o método Cardano Tartaglia é feita uma substituição de variáveis e
encontrando a equação:
3 2 0. (6)x Ax Bx C
A equação polinomial expressa em (6), pode ser desenvolvida através do método
Cardano Tartaglia e feitas algumas substituições de variáveis, de modo que encontramos as
raízes de acordo com o seu discriminante, podendo ser 0D e encontrando os seguintes
valores:
3 3 36 6
1 2
36
3
arccos arccos 22 2
, então: 2 cos ; 2 cos ;27 2727 3 3 3 3
arccos 42
2 cos .27 3 3
q qpi
p A Ar rp pr r r
qpi
Arpr
Caso contrário:
2
1 2,3
4( ) ( )
Se D 0: ; .2
CA x x A
xr x r
As variáveis determinadas nas raízes são todas desenvolvidas através de substituições feitas no
método de Cardano Tartaglia. As raízes r1, r2 e r3 determinadas, devem ser reescritas da maneira que
as substituições foram feitas, de modo que, é possível encontrar o resultado de cada variável expressa
em todo o sistema e a partir disso, obterem-se as soluções exatas das equações não lineares definidas
em (3). Pré-cálculos dessas soluções foram realizados até aqui e a partir disso, o objetivo é de determinar
de forma explicita essas soluções.
4 CONCLUSÕES
Foi realizada a análise de um sistema de colheita de energia modelado por Ghoulli
(2016) e que é possível ser expresso por uma equação polinomial de grau 3, no qual foi
desenvolvida e determinada as soluções pelo método de Cardano Tartaglia. As raízes
encontradas são possíveis soluções exatas do sistema.
Para continuidade do estudo, será feita as substituições necessárias de maneira que seja
possível encontrar a solução exata explicita do sistema de colheita de energia, definidos em (1)
e (2), em seguidas, os resultados serão comparados com os resultados obtidos pelo autor, o qual
utilizou o método quase-periódico para solucionar o sistema proposto, obtendo soluções bem
mais complexas do que pelo método Cardano Tartaglia. Depois disso, será feita simulações,
análises e comparações com resultados obtidos por Ghoulli (2016).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARBEX, H. C. Análise dinâmica de um modelo matemático não-linear e não-ideal de um dispositivo MagLev
para a coleta de energia do meio ambiente. Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica da Faculdade de Engenharia de Bauru – UNESP, 2016.
GHOULI, Z., et al. "Energy harvesting in a delayed and excited Duffing harvester device." MATEC Web of
Conferences. Vol. 83. EDP Sciences, 2016.
98
ILIUK, I., et al. On a Vibrating Model of Energy Harvest, with Nonlinear Piezoelectric Coupling and Excited
by a Non-ideal Motor Proceedings of 11th Conference on Dynamical Systems Theory and Applications,
Lodz, Poland, p.391-396, ISBN: 978-83-7283-448, 2011.
SILVA, G. V. M. Controlo Não Linear, Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, Lisboa, 2003.
SLOTINE, J.; LI, W.. Applied Nonlinear Control. New Jersey: Prentice Hall, 1991.
99
TÉCNICA DE DETECÇÃO DE CORRENTE NULA PARA APLICAÇÕES EM
CONVERSORES BOOST OPERANDO EM MODO DE CONDUÇÃO CRÍTICA
Marcelo Nogueira Tirolli
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Flávio Alessandro Serrão Gonçalves
Orientador – Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba – Unesp – Sorocaba
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo de uma técnica para detectar a corrente nula no indutor (DCNI),
sem a utilização direta de sensores de corrente, para aplicações em conversores Boost operando
no modo de condução crítica (MCR). A técnica é baseada no monitoramento da forma de onda
da tensão no indutor para detectar eventos que estão relacionados com o advento da corrente
sobre o indutor apresentar valor nulo, delimitando o comando para acionar o interruptor
principal do conversor Boost operando no MCR. Uma análise das formas de condicionamento
dos sinais para que se enquadrem dentro de faixas compatíveis com tecnologias é apresentada.
PALAVRAS-CHAVE: conversor Boost, operação no modo de condução crítica, detecção de
corrente nula.
1 INTRODUÇÃO
O conversor Boost tem a finalidade de converter uma tensão de entrada (Vin) em uma
tensão de saída (Vout) com amplitude maior que a da entrada, sendo amplamente empregado,
por exemplo, em sistemas de energias renováveis (HSIEH et al., 2011). Baseado na
característica da forma de onda da corrente através do indutor (iL), o conversor Boost pode
operar no Modo de Condução Contínua (MCC), Modo de Condução Descontínua (MCD) ou
Modo de Condução Crítica (MCR) (WANG et al., 2017).
Em MCC a forma de onda de corrente iL apresenta sempre valores superiores a zero, o
que faz com que o interruptor e o diodo tenham que suportar elevados esforços de tensão por
entrarem em condução de forma dissipativa, além de perda referente a recuperação reversa do
diodo. Já em MCD, o interruptor entra em condução com corrente nula e o diodo bloqueia com
derivada suave de decaimento da corrente. Em contrapartida, a corrente de pico no indutor
apresenta valores superiores a duas vezes o seu valor médio. Em MCR, o interruptor entra em
condução no momento que ocorre a extinção total de iL, sendo necessário uma técnica para
DCNI. A corrente iL continua apresentando característica pulsante como no MCD, porém com
um menor esforço de pico em função da ausência da descontinuidade (GROTE et al., 2011).
Desta forma, a detecção do evento de forma antecipada leva o conversor a operar em
MCC, e a detecção do evento de forma atrasada leva a operação em MCD. Neste contexto,
considerando a importância da DCNI para a operação do conversor Boost no MCR, este
trabalho tem por objetivo apresentar o estudo de uma técnica de DCNI, sem o uso de sensores
de corrente, aplicada a um conversor CC-CC Boost operando em MCR e controlado por um
sistema digital.
2 DETECÇÃO DE CORRENTE NULA
Para o conversor operar em MCR, o sistema de controle de chaveamento segue
basicamente a estrutura apresentada na Figura 1, composta pela atuação de um flip-flop
100
conectado ao interruptor (S) do conversor. Na entrada Set (S), que ativa o interruptor emprega-
se a técnica de DCNI, enquanto na entrada Reset (R), que desativa o interruptor, pode estar
conectado um sistema de controle baseado em modo tensão ou corrente (TANG et al., 2010).
Uma forma de DCNI é através do monitoramento direto da corrente no indutor que pode
ser feito por sensores shunt ou de efeito Hall. Como desvantagens, podem afetar fortemente o
rendimento do conversor (shunt) e/ou apresentar custo elevado (hall) (WANG et al., 2017).
Além da observação direta da corrente, outras técnicas indiretas podem ser aplicadas
para detectar o momento que a corrente se torna nula no indutor. Observando o comportamento
da forma de onda da tensão no indutor (vL), alguns eventos podem ser utilizados para detectar
o momento que a corrente no indutor se anula. Durante o período de condução do interruptor,
vL permanece praticamente com o valor da entrada (Vin), considerando na forma ideal. Quando
o interruptor deixa de conduzir, há uma inversão de polaridade na forma de onda de vL.
Desconsiderando as perdas, a queda de tensão no indutor é a diferença entre Vin e Vout. A forma
de onda vL se mantém nestas condições até o indutor descarregar totalmente a energia, quando
então o diodo entra em bloqueio. Neste momento, ocorre um evento, onde vL apresenta uma
elevada derivada de crescimento, evoluindo para apresentar valor nulo caso o interruptor não
seja acionado (MCD), ou retornando ao valor de Vin se o interruptor for acionado no momento
que ocorre o evento (MCR) (GROTE et al., 2011). A Figura 2 apresenta o comportamento de
iL(t) e vL(t) para os MCD e MCR, com a indicação do evento de corrente nula.
Para detectar a derivada de crescimento é necessário condicionar o sinal para
valores menores adequando-o dentro do limite das faixas de valores aceitáveis conforme
tecnologia adotada. Uma forma de atenuar vL e ainda prover isolação consiste na utilização de
um enrolamento secundário no indutor do conversor Boost, o qual através da relação pode-se
obter valores próximos ao desejado. Sistemas de controle na forma digital a partir de
conversores analógicos/digitais (ADC) podem ser aplicados para a detecção do evento,
apresentando vantagens como controle flexível, maior imunidade a ruídos, menor depreciação
e quantidade de componentes (KIM; YOUN; MOON, 2015)
3 METODOLOGIA
O estudo da técnica de DCNI foi realizado no ambiente MATLAB/Simulink. As
características do conversor CC-CC Boost adotadas são: Vin = 127V, Vout = 400V, Potência de
180W a 430W, Carga de 370Ω a 900Ω, frequência de chaveamento (fSW) de 30 kHz a 70 kHz,
Capacitor (C) de 0,47 µF e Indutor (L) de 440µH. O condicionamento do sinal foi feito para
ser aplicado em um ADC de 8 bits, com faixa de excursão de 0 a 5V.
4 DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS
A Figura 3 apresenta o diagrama de blocos para a implantação da técnica de DCNI
através de vL. O bloco A atenua o sinal de vL através da bobina auxiliar do indutor, além de
Fig. 2 - Comportamento dos sinais iL(t) e vL(t) em
MCD e MCR.
Fig. 1 - Sistema de controle de
chaveamento do Boost.
101
filtrar o sinal para não apresentar um reflexo de componentes de alta ordem. O bloco B deve
eliminar a parcela negativa do sinal através de um diodo ou de um circuito somador, o qual
adiciona um nível CC. Por fim, O bloco C corresponde ao ADC, onde se define a taxa de
amostragem (fSR), resolução e a faixa de aquisição. Tomando as características do conversor
mencionadas na seção 3 e considerando um conversor de 8 bits (256 estados), fSR = 1.000kHz,
interpretação no formato inteiro, faixa de excursão de 0 a 5V, estado a ser detectado quando vL
= 3,5V, fSW = 50kHz, fazendo uma escala de relação entre tensão x estados do ADC, chega-se
que o estado 182 (1011 0110) representa que a corrente no indutor é nula. A Figura 4 mostra o
comportamento característico das formas de onda de vL e iL do conversor Boost operando em
MCR ao longo das etapas para DCNI.
4 CONCLUSÃO
Este trabalho abordou o estudo de uma técnica de DCNI, sem a utilização direta de
sensores de corrente, aplicada a conversor Boost operando em MCR. Através do
monitoramento do comportamento de vL, constatou-se que quando iL se anula, vL apresenta uma
elevada derivada de crescimento, o qual este evento pode ser condicionado e detectado através
da saída do conversor ADC, fazendo o conversor operar em MCR. Como o evento detectado
ocorre uma única vez por período, quanto maior a taxa de amostragem, menor o tempo de
detecção. Durante o estudo, constatou-se que para fSR inferiores a 200 kHz, o sinal de vL fica
descaracterizado, impossibilitando a detecção do evento. Uma forma de contornar esta
necessidade é utilizar o pino dos dispositivos digitais alimentado pelo sinal de clock que
apresentam elevada frequência.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GROTE, T. et al. Digital control strategy for multi-phase interleaved boundary mode and DCM
Boost PFC converters. In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011
IEEE. IEEE, 2011. p. 3186-3192.
HSIEH, Yi-Ping et al. A novel high step-up DC–DC converter for a microgrid system. IEEE
Transactions on Power Electronics, v. 26, n. 4, p. 1127-1136, 2011.
KIM, Jong-Woo; YOUN, Han-Shin; MOON, Gun-Woo. A digitally controlled critical mode
Boost power factor corrector with optimized additional on time and reduced circulating losses.
IEEE Transactions on Power Electronics, v. 30, n. 6, p. 3447-3456, 2015.
TANG, Shi-Huang et al. A new on-time adjustment scheme for the reduction of input current
distortion of critical-mode power factor correction Boost converters. In: Power Electronics
Conference (IPEC), 2010 International. IEEE, 2010. p. 1717-1724.
WANG, Jizhe et al. A Novel Predictive Digital Controlled Sensorless PFC Converter under the
Boundary Conduction Mode. Journal of Power Electronics, v. 17, n. 1, p. 1-10, 2017.
Fig. 3 - Diagrama de blocos para DCNI
Q
QSET
CLR
S
R
Eliminar Parcela
Negativa
Atenuação e
anti-aliasingVL
Interruptor
Conversor AD
A B C
Fig. 4 - Comportamento de iL e vL.
102
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS MULTIOBJETIVO DE DESPACHO ECONÔMICO
E AMBIENTAL EXPLORANDO MÉTODOS DE PROGRAMAÇÃO POR METAS.
Matheus Murback Angelo
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Antonio Roberto Balbo
Orientador – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
Dr. Ricardo Bento Nogueira Mori Pinheiro
Co-orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Neste trabalho são apresentadas técnicas de Goal programming com intuito de resolver o
problema multiobjetivo de Despacho Econômico e Ambiental (PMDEA) de geração de energia.
Essas técnicas consistem na aplicação da norma-LP a qual inclui a métrica de Chebyshev nas
funções objetivo do PMDEA. Propomos uma nova e equivalente formulação para o problema.
Resolvemos o problema equivalente pelo método de pontos interiores/exteriores com barreira
logarítmica modificada. O método é implementado em MATLAB R2017b e aplicado em
problemas já divulgados na literatura para comparação de resultados.
PALAVRAS-CHAVE: Goal Programming, Otimização Não-Linear, Despacho Econômico e
Ambiental.
1 INTRODUÇÃO
Os Problemas de Despacho Econômico (PDE) e os Problemas de Despacho Ambiental
(PDA) são problemas de otimização restritos e não-lineares próprios da área de sistemas
elétricos de potência. Contudo, a maioria dos problemas de despacho era formulada a fim de
minimizar uma função objetivo quadrática, ora minimizando custos, ora minimizando emissão.
Porém, os custos e as emissões podem ser combinados em uma única função objetivo. A esse
novo problema é definido por problema multiobjetivo de Despacho Econômico e Ambiental
(PMDEA).
A função objetivo do PMDEA é quadrática e as funções (função Econômica e função
Ambiental) componentes são conflitantes, isto é, quando a função Econômica é minimizada
temos que a função ambiental é maximizada e vice-versa. O conjunto das soluções do PMDEA
são chamadas Pareto-Eficientes. Podemos reformular o PMDEA equivalentemente por meio de
técnicas como ε-restrito e soma-ponderada, e assim aplicar um método de otimização
determinístico para resolver o problema equivalente.
O Goal Programming é uma metodologia para a resolução de problemas multiobjetivo
da área da otimização que encontra soluções de problemas que não contem apenas funções
objetivo, mas contém também várias metas que se deseja atingir. Este requer um procedimento
de solução iterativa pela qual um tomador de decisão escolherá uma das soluções fornecidas
que o satisfaça da maneira desejada.
O objetivo deste trabalho é aplicar técnicas de Goal Programming no PMDEA para a
formulação de um novo problema e resolve-lo pelo método de pontos interiores/exteriores com
barreira modificada, afim de obter-se boas soluções Pareto-Eficientes (ou soluções de
compromisso).
103
2 REVISÃO DA LITERATURA
A filosofia baseada em metas foi formalizada no campo moderno de pesquisa
operacional e ciência de gestão pela técnica de Goal Programming. A formulação mais antiga
de programação por metas foi introduzida por Charnes et al. (1955) no contexto da remuneração
dos executivos, onde este foi visto como uma adaptação para a programação linear.
Uma teoria formal sobre Goal Programming é dada por Charnes e Cooper (1961). O
desenvolvimento ocorreu posteriormente por Ijiri (1965), livros didáticos de Lee (1972) e
Ignizio (1976). Estes autores apresentaram técnicas como uma ferramenta para resolução de
problemas na área de pesquisa operacional. Isso levou a um grande número de aplicações sendo
relatadas na literatura desde meados da década de 1970 em diante.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Nesta seção é apresentada uma formulação de Goal Programming a fim de resolver o
PMDEA com pontos de carregamento de válvula. Esta formulação é dada por:
1/
1 2
Min Min
Min
Min
1
min
.
, 0
pp p
E A
E A
E i E E
A i A A
n
i
i
Min Max
i i i
E A
v d v d
c c
s a f Pg d f
f Pg d f
Pg D
Pg Pg Pg
d d
Tal que:
- p : Parâmetro positivo que deve ser maior do que 1;
- ,E Af f : Funções custo de despacho econômico e de despacho ambiental,
respectivamente;
- ,Min Min
E Af f : Custos mínimos de cada função objetivo;
- ,E Ad d : Desvios relacionados aos custos das funções objetivo;
- 1 2,v v : Parâmetros de peso relacionados aos desvios dos custos, onde estes são
positivos e sua soma deve resultar em 1;
- iPg : Potência gerada em cada unidade geradora i;
- ,Min Max
i iPg Pg : Potência mínima e potência máxima gerada em cada unidade
geradora i;
- D : Demanda de geração a ser atendida.
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O referencial teórico sobre o PMDEA é conforme Gonçalves (2015). O principal
referencial teórico sobre Goal Programming deste trabalho de acordo com Jones e Tamiz (2010)
acompanhado dos trabalhos apresentados na revisão bibliográfica. O método da função
104
barreira logarítmica modificada é embasada no trabalho de Polyak (1992) e de Pinheiro (2015).
4 CONCLUSÕES
O método é implementado em MATLAB R2017b e aplicado em problemas já
divulgados na literatura com o intuito de comparação de resultados.
Neste trabalho é apresentado uma formulação de Goal Programming para resolver o
problema multiobjetivo de Despacho Econômico e Ambiental (PMDEA) sobre geração de
energia. A continuidade da pesquisa consiste em aplicar um método do tipo barreira modificada
para resolve-lo. Os resultados futuros serão comparados com outros resultados conhecidos na
literatura.
Esperamos que os resultados comparados indiquem que a abordagem é robusta e
competitiva com outras.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CHARNES, Abraham; COOPER, William W.; FERGUSON, Robert O. Optimal estimation of
executive compensation by linear programming. Management science, v. 1, n. 2, p. 138-151,
1955.
CHARNES, Abraham; COOPER, William Wager. Management models and industrial
applications of linear programming. 1961.
GONÇALVES, Elis. Métodos híbridos de pontos interiores/exteriores e de aproximantes de
funções em problemas multiobjetivo de despacho econômico e ambiental. 2015.
JONES, Dylan; TAMIZ, Mehrdad. Practical goal programming. International series in
operations research and management science. 2010.
IGNIZIO, James P. Goal programming and extensions. Lexington Books, 1976.
IJIRI, Yuji. Management goals and accounting for control. North Holland Pub. Co., 1965.
LEE, Sang M. et al. Goal programming for decision analysis. Philadelphia: Auerbach
Publishers, 1972.
PINHEIRO, Ricardo Bento Nogueira et al. Interior–exterior point method with global
convergence strategy for solving the reactive optimal power flow problem. International
Journal of Electrical Power & Energy Systems, v. 66, p. 235-246, 2015.
POLYAK, Roman. Modified barrier functions (theory and methods). Mathematical
programming, v. 54, n. 1-3, p. 177-222, 1992.
105
METODOLOGIA PARA DESAGREGAÇÃO DE CARGAS EM INSTALAÇÕES
RESIDENCIAIS ATRAVÉS DE MEDIDORES COGNITIVOS DE ENERGIA
Felipe Leite Paes
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
Orientador – Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Wesley Angelino de Souza
Coorientador – Engenharia Elétrica e Computação – Unicamp – Campinas
RESUMO
As chamadas Redes Inteligentes de Energia indicam para uma nova arquitetura em sistemas de
distribuição de energia elétrica, a qual deve se consolidar nas próximas décadas, em um cenário
repleto de dispositivos e sistemas dotados de “inteligência”. Neste cenário, a possibilidade de
comunicação bidirecional entre o usuário e a rede de energia elétrica será imprescindível para
a integração dos vários dispositivos, agentes de medição e monitoramento em uma Rede
Inteligente. Atualmente, os medidores inteligentes de energia, possibilitam a integração e
comunicação dos dispositivos numa rede de dados e facilita a atuação de uma Rede Inteligente
de Energia. Assim, esse trabalho apresenta um estudo sobre a aplicação de técnicas de
Desagregação de Cargas utilizando Sistema de Monitoramento Não Intrusivo para um cenário
de Instalação Residencial Bifásica e Trifásica.
PALAVRAS-CHAVE: Redes Inteligentes de Energia, Medidores Inteligentes de Energia,
Medidores Cognitivos de Energia.
1 INTRODUÇÃO
A evolução dos medidores inteligentes de energia vem ocorrendo através da
implementação de técnicas modernas de tratamento de dados, dentre elas os métodos de
desagregação de cargas, levando ao conceito de Medidores Cognitivos de Energia
(MAKONIN; POPOWICH; GILL, 2013).
Souza (2016) demonstrou a aplicabilidade da técnica não intrusiva para a desagregação
de cargas em instalações elétricas residenciais com cargas monofásicas. Assim, esse trabalho
apresenta o estudo e aplicabilidade das técnicas propostas por Souza (2016), expandindo-as
para cenários com cargas bifásicas e trifásicas, bem como uma reavaliação da metodologia.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Com a existência do usuário prossumidor no cenário de compra e venda de energia
elétrica, com a popularização das redes inteligentes de energia e a necessidade do fornecimento
de informações adicionais sobre a energia elétrica, entendeu-se a necessidade da existência de
comunicação bidirecional no medidor. Essa evolução do medidor eletrônico ganhou o nome de
medidor inteligente (QUEEN, 2011), (GARCIA; SOUZA; MARAFAO; SILVA, 2017).
Para SOUZA (2016), os medidores cognitivos são medidores que possuem a
comunicação bidirecional (medidores inteligentes) e também a capacidade de desagregação de
cargas, característica que pode contribuir para proposição de estratégias de controle de consumo
em uma instalação ou parâmetro de decisão para responder a uma política de controle de
106
demanda de energia.
O novo cenário que vem sendo estudado em redes de energia leva em conta as
tendências do mercado de energia, com novas políticas de tarifação e de consumo otimizado,
sobretudo a eficiência energética. Através dessas possibilidades, os medidores cognitivos de
energia devem possuir espaço nas aplicações, pois com infraestrutura de comunicação aliada à
capacidade de realizarem a desagregação do consumo de energia elétrica, vão permitir a
inclusão do consumidor no cenário de gestão de energia elétrica, controlado anteriormente
apenas pelos agentes concessionários e distribuidores de energia elétrica (MAKONIN;
POPOWICH; GILL, 2013).
3 MATERIAL E MÉTODOS
A metodologia utilizada nesse trabalho tem como base a construção de um modelo de
simulação, referente a cada uma das cargas em análise. As cargas foram modeladas através de
esquemáticos de funcionamento e dados coletados através de medições reais com cargas
bifásicas e trifásicas, em instalações elétricas residenciais. As medições foram realizadas
através de um medidor de qualidade de energia elétrica da Schneider ION7650, que consegue
apresentar grandezas de tensão, corrente, potências, e decomposição harmônica de corrente. Os
modelos de cargas utilizados variam como: R, RL, fontes de correntes (representação de cargas
com correntes harmônicas) e circuitos chaveados.
Através dos modelos, na plataforma de simulação do PSIM 9.1, foi implementado um
bloco de função para extrair os parâmetros (atributos) que vão compor a base de dados das
cargas, sendo responsáveis por representar as características das respectivas cargas num espaço
multidimensional.
Além dos atributos utilizados em SOUZA (2016), também foram adicionados três
atributos que visam dar subsídios para a caracterização das cargas, gerando mais possibilidade
de separação das cargas no espaço avaliado pelo algoritmo. Os atributos propostos baseiam-se
na análise da variação instantânea da corrente elétrica, como também na taxa de distorção da
corrente da carga.
A partir desses dados foi realizado um pré-processamento de dados para indicar quais
parâmetros são representativos para identificação das cargas que vão compor a base de dados
que será operacionalizada pelo algoritmo classificador. O algoritmo utilizado foi o método K-
enésimo vizinho mais próximo (do inglês, KNN - K-Nearest Neighbor), que não necessita de
treinamento e opera classificando e rotulando cada amostra de acordo com a classe que mais se
assemelha entre os k vizinhos mais próximos no espaço multidimensional.
De maneira a preservar a metodologia proposta em SOUZA (2016), foi implementado
um detector de eventos com sensibilidade de detecção do tipo de carga na instalação, partindo
das possibilidades: carga trifásica, carga bifásica e monofásica. Como parâmetro para
identificação, o sistema possui monitoramento instantâneo das fases, como também da corrente
do neutro. Através da análise de simultaneidade, toma decisões e inicia o processo de
classificação de carga. Para cargas monofásicas, a metodologia anterior mantém ativa e possui
desempenho para atender a desagregação de cargas, para os casos bifásico e trifásico, a base de
dados é diferente, sendo parte da contribuição desse trabalho.
4 RESULTADOS
Os resultados coletados na implementação desses dados podem ser apresentados
sob algumas perspectivas: analisando a pertinência dos atributos definidos para representação
das cargas, a pertinência do método desenvolvido para detecção de simultaneidade de inserção
107
de cargas em diferentes fases, com diferentes estratégias para cada caso, e finalmente a análise
do desempenho do classificador utilizado para desagregar cargas bifásicas.
Após o pré-processamento dos dados e com a definição dos atributos das cargas, é
possível observar que são representativos no espaço multidimensional e cooperam para a
desagregação de cargas.
O método proposto no trabalho foi implementado parcialmente e está em etapa de
simulações, no momento ainda apresenta algumas oscilações na etapa de classificação no
âmbito das cargas bifásicas. Através da observação do método utilizado nesse trabalho, foi
verificado que a robustez do sistema pode estar vulnerável ao tamanho da base de dados, nesse
caso pode estar muito pequena para o tipo de algoritmo utilizado. A estratégia utilizada para
melhorar o desempenho do sistema está sendo aumentar o número de simulações, visando
aumentar o tamanho da base de dados.
5 CONCLUSÕES
Observou-se que para expansão do método proposto em Souza (2016) para um medidor
cognitivo trifásico, pode-se analisar o método de detecção de simultaneidade nos degraus de
corrente em cada fase e no condutor de retorno, gerando um classificador para cada caso
identificado.
A supervisão das cargas que estão acopladas no sistema em tempo real pode ser
representada por uma máquina de estado, composta por combinações de situações que vão
ocorrendo no decorrer do tempo em medição, tanto na inserção de cargas, como também nos
casos de desligamento de cargas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GARCIA F. D., SOUZA W. A., MARAFAO F. P., SILVA L. C. P.; Power Metering: History
and Future Trends. 9th Annual Green Technologies Conference (IEEE GreenTech), 2017.
MAKONIN, S.; POPOWICH, F.; GILL, B.; The Cognitive Power Meter: Looking Beyond the
Smart Meter. School of Computing Science, SFU Technology Centre, BCIT. Canadian
Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE). 2013.
QUEEN, E. E., Smart Meters and Smart Meter Systems: A Metering Industry Perspective. An
EEI-AEIC-UTC White Paper. EEI. Washington, D.C. Março de 2011.
SOUZA, W. A.; Estudos de Técnicas de Análise e Tecnologias para o Desenvolvimento de
Medidores Inteligentes de Energia Residenciais. UNICAMP. Campinas, São Paulo. 2016.
108
MODELO DE COORDENAÇÃO ESTOCÁSTICA EM DOIS ESTÁGIOS PARA
MERCADOS POOL DE ELETRICIDADE DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS
Gabriela Fernanda Bregadioli
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Adj. Leonardo Nepomuceno
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Profa. Adja. Edméa Cássia Baptista
Coorientadora – Depto de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
Neste trabalho propomos um modelo de coordenação hidrotérmica, via programação
estocástica linear em dois estágios, para mercados pool de eletricidade em que as decisões de
curto e médio prazo são levadas em conta em um único modelo. No primeiro estágio adota-se
um modelo de leilão de energia multiperíodo com representação linear da transmissão, que
consiste em obter o ponto de equilíbrio para o mercado de energia de curto prazo, bem como
despacho hidrotérmico da geração para cada hora do seguinte. O segundo estágio consiste em
resolver um modelo de programação da geração e obter as participações hidroelétricas e
termoelétricas para cada mês do horizonte de médio prazo. Para validação do modelo, testes
computacionais são realizados considerando um sistema hidrotérmico fictício, criado a partir
da cascata da Bacia do Paranapanema acoplada ao sistema IEEE 24 barras.
PALAVRAS-CHAVE: mercados de energia, coordenação hidrotérmica, programação
estocástica.
1 INTRODUÇÃO
Este trabalho considera um problema de coordenação entre o planejamento da geração
de médio prazo e a operação de curto prazo em mercados pool de eletricidade para sistemas
hidrotérmicos. Os tradicionais modelos centralizados (PADHY, 2004; OLIVEIRA, 2005),
foram substituídos por modelos de despacho descentralizados, tais como os modelos de leilão
utilizados pelos operadores de mercado (ARROYO, 2002; MOTTO 2002). A maioria dos
modelos propostos de leilão do dia seguinte é formulada para sistemas térmicos. Tais modelos
negligenciam qualquer tipo de estratégia de coordenação. Contudo, a coordenação é essencial
em sistemas hidrotérmicos, a fim de garantir a segurança e confiabilidade do sistema agora e
no futuro.
Este trabalho propõe uma abordagem de coordenação hidrotérmica para mercados de
energia do dia seguinte, em que as decisões de curto e médio prazo são levadas em conta em
um único modelo. Nesta abordagem, a coordenação hidrotérmica é formulada como um
problema de programação linear estocástico em dois estágios, em que a incerteza associada a
entrada de água é representada por um conjunto de cenários. O primeiro estágio consiste em
resolver um modelo de leilão de energia multiperíodo com representação linear da transmissão
e obter a programação da geração de energia para cada hora do dia seguinte. As decisões do
segundo estágio são tomadas com base na solução de um problema de planejamento da geração
de médio prazo.
Para avaliar o impacto da abordagem de coordenação proposta, testes computacionais
são realizados. Ao avaliar o despacho da geração, é possível observar o impacto da coordenação
109
hidrotérmica no mercado de eletricidade.
2 MODELO DE COORDENAÇÃO HIDROTÉRMICA ESTOCÁSTICO EM DOIS
ESTÁGIOS
Um problema de programação estocástica em dois estágios consiste em um problema
de tomada de decisão, no qual as decisões são tomadas em duas etapas e existe um processo
estocástico envolvido representado por um conjunto de cenários (BIRGE, 1997). As decisões
do primeiro estágio, chamadas de aqui-e-agora, do inglês here-and-now, são tomadas antes da
realização do processo do estocástico, isto é, as variáveis de decisão here-and-now não
dependem de cada realização individual do processo estocástico. Após a realização do processo
estocástico e conhecidas as decisões previamente tomadas no primeiro estágio, são tomadas as
decisões pare-e-veja (wait-and-see), do segundo estágio. Uma vez que o processo estocástico é
representado por um conjunto de cenários, as variáveis de decisão do segundo estágio são
definidas para cada cenário único.
O problema de coordenação hidrotérmica proposto neste trabalho consiste em formular
e resolver um problema de programação estocástica linear em dois estágios, no qual a incerteza
associada a vazão afluente é representada por um conjunto de cenários. O primeiro estágio
consiste em resolver um modelo de leilão de energia multiperíodo com representação linear da
transmissão e obter a programação da geração para cada hora do dia seguinte. As decisões do
segundo estágio são tomadas com base na solução de um problema de planejamento de geração
de médio prazo.
3 RESULTADOS
A estratégia de coordenação estocástica leva em conta em um único modelo os
horizontes de planejamento de curto e médio prazos, ou seja, as decisões tomadas no primeiro
estágio refletem todo o horizonte de planejamento do segundo estágio. Com isto, podemos
observar na Fig. 1 que o despacho obtido para cada hora do dia seguinte conta com uma maior
participação termoelétrica, a fim de preservar os recursos hídricos para o futuro e evitar a
escassez de água. Como consequência, podemos notar a elevação nos preços nodais.
Figura 1. Decisão de curto prazo
110
Figura 2. Decisão de médio prazo
A Fig. 2 mostra a preservação dos recursos hídricos no horizonte de médio prazo ao
adotarmos a estratégia de coordenação proposta.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho propõe-se um modelo de leilão com coordenação estocástico em dois
estágios para mercados de energia de sistemas hidrotérmicos, em que os horizontes de
planejamento de curto e médio são levados em conta em um único modelo. Testes
computacionais são realizados com um sistema hidrotérmico fictício, criado a partir da cascata
da Bacia do Paranapanema acoplada ao sistema IEEE 24 barras. Os resultados apresentados
mostram que a estratégia de coordenação proposta neste trabalho tem um impacto no preço de
equilíbrio de mercado e na programação da geração, uma vez que a coordenação tende a reduzir
a participação hidroelétrica na geração total, a fim de garantir a segurança e confiabilidade do
sistema no presente e no futuro. A não consideração da coordenação na programação da geração
de curto prazo de sistemas hidrotérmicos pode levar a escassez de recursos hídricos no futuro
e, consequentemente, ao aumento no preço da energia e até mesmo a políticas de racionamento.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARROYO, J. M, CONEJO, A. J., “Multiperiod auction for a pool-based electricity market,” IEEE Transactions
on Power Systems, vol. 17, no. 4, pp. 1225–1231, Nov. 2002.
BIRGE, J. R., LOUVEAUX, F., Introduction to stochastic programming. New York: Springer- Verlag, 1997.
MOTTO, A. L., GALIANA, F. D., CONEJO, A. J., ARROYO, J. M., “Network constrained multiperiod auction
for a pool-based electricity market,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 17, no. 3, pp. 646–653, Aug. 2002.
OLIVEIRA, A. R. L., SOARES S., NEPOMUCENO L., “Short term hydroelectric scheduling combining network
flow and interior point approaches,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 27, no. 2,
pp. 91–99, Feb. 2005.
PADHY N. P., “Unit commitment-a bibliographical survey,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 19, no.
2, pp. 1196–1205, May 2004.
111
DIFERENÇAS NO CUSTO DO PROBLEMA MULTIOBJETIVO DE DESPACHO
COM E SEM OS PONTOS DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA
Elis Gonçalves
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr.Antonio Roberto Balbo Orientador – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
O problema de despacho econômico e ambiental com pontos de carregamento de válvula
(PMDEA-PV) é um problema de otimização multiobjetivo, não-convexo e não diferenciável, e
por apresentar essas características, normalmente é resolvido através de abordagens heurísticas.
Também são comuns na literatura, trabalhos em que os efeitos dos pontos de carregamento de
válvula são desconsiderados e o problema passa a ter função objetivo quadrática e convexa,
facilitando sua solução. Porém, essa representação não é a mais próxima da situação real. O
objetivo deste trabalho é apresentar uma abordagem determinística de solução para o PMDEA-
PV e comparar os resultados com e sem a inserção desses efeitos.
PALAVRAS-CHAVE: Matemática aplicada à engenharia; despacho multiobjetivo; pontos de
carregamento de válvula.
1 INTRODUÇÃO
O efeito dos pontos de carregamento de válvula (PV) pode ser incluídos à função custo
(PMDEA-PV), resultando em um problema não convexo e não diferenciável. Devido a tais
características, é comum encontrar na literatura métodos heurísticos de solução para o PMDEA-
PV. Esses métodos têm algumas desvantagens quando comparados às abordagens
determinísticas, pois normalmente operam sobre populações de candidatos à solução e
dependem da evolução dessas populações ao longo de um grande número de gerações, exigindo
tempos computacionais mais altos. Além disso, eles não possuem a capacidade de verificar
iterativamente a otimização de seus candidatos a solução (KKT). Grande parte dos trabalhos
também desconsidera os PV. Porém, desconsiderar esses efeitos, acarreta em um custo final
inferior ao custo real do despacho, e, no ambiente real do mercado de energia, onde a
representação de custos é crucial para maximizar os lucros, esses erros não podem ser
toleráveis. Em Zhan (2015), os autores destacam a importância em considerar os PV no
problema mono-objetivo e mostram que, desconsiderá-los, acarreta em erros de 2% a 9% no
custo do despacho econômico, para sistemas de 19 e 40 unidades geradoras, respectivamente.
Neste trabalho é proposta uma abordagem determinística de otimização que será utilizada para
resolver o problema multiobjetivo de despacho, com e sem os PV, a fim de mostrar a diferença
no custo ao final do despacho de um problema multiobjetivo.
2 PROBLEMA
O problema multiobjetivo de despacho é formulado por (1):
1
min max
Min. ( ), ( )
S.a: 0
; 1,..., .
n
i d
i
i i i
C p E p
p P
p p p i n
(1)
112
em que C(p) é a função custo de combustível e E(p) é a função emissão de poluentes. As funções
objetivo estão disponíveis em Basu, 2011. Os termos modulares presentes na função C(p), que
estão associados aos PV, tornam o problema não convexo e não-diferenciável. Porém,
considerar esses termos é de grande importância para obter o custo real de geração do sistema.
Conforme o número de unidades geradoras do sistema aumenta, o número de mínimos e
máximos do problema (1) também aumenta. Em Borckmans et. al. (2014), os autores relataram
a existência de cerca de 2.105 candidatos à solução para um problema de 15 unidades geradoras.
Assim, até mesmo o problema mono-objetivo de despacho é um altamente complexo de ser
resolvido, motivo pelo qual a maioria das abordagens de solução são baseadas em heurísticas
ou meta-heurísticas ou desconsideram esses efeitos.
3 METODOLOGIA
Neste trabalho é proposta uma abordagem determinística de otimização para solução do
PMDEA com e sem a inserção dos pontos de carregamento de válvula. A natureza multiobjetivo
do problema é tratada pela estratégia RCP, que transforma o problema multiobjetivo em um
conjunto de subproblemas mono-objetivos (Santos, 2017). Além disso, a metodologia adota
uma série de estratégias para resolver tais subproblemas: a não-diferenciabilidade é tratada por
meio de uma técnica de suavização hiperbólica proposta em Chen (2012), permitindo o uso da
abordagem determinística para resolver os subproblemas suavizados; os subproblemas
suavizados ainda são não-lineares, com múltiplos mínimos e máximos, assim é utilizado um
método de rescalamento não-linear, baseado em Griva e Polyak (2006) com estratégia de
correção de inércia para garantir que o método busque apenas mínimos locais. A metodologia
proposta é chamada de RCP-SH-RNCI e foi implementada em linguagem MATLAB2011a e
aplicada à resolução de quatro sistemas testes, com 6, 10, 19 e 40 unidades geradoras. Os dados
dos sistemas testados podem ser obtidos em Basu (2011).
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
As curvas de Pareto são apresentadas nas Figuras 1a – 1d. A métrica do hipervolume
(Deb, 2001) foi utilizada para avaliar o impacto dos PV, de forma quantitativa. No caso de 19
geradores, o hipervolume calculado para o PMDEA-PV é de 1399937,36, e para o PMDEA é
de 1592246,71, com uma diferença de 12,07%. No caso de 40, os hipervolumes do PMDEA-
PV e do PMDEA, respectivamente, são 48637675,14 e 86965198,68, com uma diferença de
44,07%. Quanto maior o número de geradores, maior o erro associado em desconsiderar esses
efeitos no problema multiobjetivo.
5 CONCLUSÕES
Neste trabalho, é proposta a abordagem determinística RCP-SH-RNCI, que é
especialmente adaptada para resolver PMDEA-PV e testada nos sistemas com 6, 10, 19 e 40
unidades geradoras. São avaliadas as curvas de Pareto e os hipervolumes obtidos após a solução
dos problemas com e sem os PV. Os resultados revelam que os erros associados à falta de
representação desse efeito em problemas multiobjetivo podem se tornar muito maiores do que
aqueles obtidos para os problemas mono-objetivo de despacho econômico.
113
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BASU, M. Economic environmental dispatch using multi-objective differential evolution.
Applied Soft Computing. 2011. p.2845-2853.
BORCKMANS, P. B. et al. A Riemannian subgradient algorithm for economic dispatch with
valve-point effect. Journal of Computational and Applied Mathematics. 2014. p.848-866.
CHEN, X. Smoothing methods for nonsmooth, nonconvex minimization. Mathematical
Programming. 2012. p.71-99.
DEB, K. Multi-Objective Optimization Using Evolutionary Algorithms. John Wiley & Sons.
2001.
GRIVA, I; POLYAK, R. A. Primal-dual nonlinear rescaling method with dynamic scaling
parameter update. Mathematical Programming. 2006. p.237-259.
SANTOS, M. R. B et al. A Proposed Methodology Involving Progressive Bounded Constraints
And Interior-Exterior Methods in Smoothed Economic/Environmental Dispatch Problems.
IEEE Latin America Transactions, p. 1422-1431. 2017.
ZHAN, J. et al. Economic Dispatch With Non-Smooth Objectives - Parte I: Local Minimum
Analysis. IEEE Transactions on Power Systems, 30, p.710-721. 2015.
ZHAN, J. et al. Economic Dispatch With Non-Smooth Objectives - Parte II: Dimensional
Steepest Decline Method. IEEE Transactions on Power Systems, 30, p.722-733. 2015.
114
TRATAMENTO DE INCERTEZAS EM UM MODELO DE
FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO
Rafael Ramos de Souza
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Antonio Roberto Balbo
Orientador – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno
Coorientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Neste trabalho é apresentado um modelo de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) com o objetivo de
minimizar os custos de geração ao mesmo tempo que determina controles ótimos para a parte
reativa do problema. A geração é calculada a partir de um sistema térmico-eólico, visando
incluir fontes renováveis no problema, o modelo torna-se probabilístico devido a incerteza da
velocidade do vento. O tratamento dessa incerteza é realizado através da função de distribuição
de probabilidade de Weibull, que determina os custos de geração da energia eólica.
PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo, Energia eólica, Tratamento de incertezas,
Função de distribuição de Probabilidade de Weibull.
1 INTRODUÇÃO
A utilização de fontes renováveis em modelos de sistemas de energia na geração de
energia elétrica, como é o caso da energia eólica, contribui para a redução de emissão de
poluentes na atmosfera, além de reduzir custos na geração por depender basicamente da
velocidade do vento. Porém essa dependência na velocidade do vento que é incerto incorpora
ao problema uma geração variável, sendo assim não é possível calcular variáveis ótimas de
otimização apenas para um cenário, que é o que ocorre com fontes termoelétricas e
hidroelétricas por saber o quanto de recurso se tem.
Neste trabalho incorporamos um sistema térmico-eólico para a geração de potência ativa
de um modelo de FPO que tem como objetivo a minimização dos custos da geração
termoelétrica e eólica visando um despacho ótimo dos geradores considerando controles ótimos
nas linhas de transmissão.
O tratamento da incerteza da velocidade do vento no modelo é feito através de uma
transformação da função de distribuição de probabilidade de Weibull (FDP), que a partir de
uma geração calcula a probabilidade de ocorrência dessa, desta forma é possível calcular os
custos de geração eólica.
2 O PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO
O modelo apresentado é baseado em Hetzer et. al. (2008) e Reddy e Momoh (2016). A
função objetivo (1) visa a minimização dos custos de geração.
As variáveis de controle a serem otimização são: a potência ativa GP , as magnitudes
V e os ângulos das tensões e os taps dos transformadores t do sistema.
115
Mini i j j j j j j j j
T E
Av Av
T G E G P G G R G G
i G j G
C P C P C P P C P P
(1)
. . 0,k k
k
km G C T E
m
s a P P P k G G C
(2)
0,k k
k
sh
km G C k
m
Q Q Q Q k C
(3)
min max ,k k kG G G T EP P P k G G (4)
min max ,k k kG G G T EQ Q Q k G G (5)
min max ,k k kV V V k B (6)
min max , ,km km kmt t t k m T (7)
Na função objetivo, Equação (1), o primeiro termo é o custo dos geradores térmicos, os
demais termos representam os custos da geração eólica.
As restrições (2) e (3) representam as equações de balanço de potência ativa e reativa
em cada barra do sistema. As Equações (4) e (5) representam as restrições de desigualdade
canalizadas, a (4) apresenta os limites mínimo e máximos de potência ativa térmico-eólica dos
geradores e (5) os limites mínimo e máximo de injeção de potência reativa nas barras com
controle de tensão.
As restrições (6) e (7) representam os limites mínimo e máximo das magnitudes de
tensão e dos taps dos transformadores, respectivamente.
3 METODOLOGIA
Para o tratamento da incerteza ocasionado pela velocidade do vento utilizamos uma
transformação da função de distribuição de probabilidade de Weibull(FDP), apresentada em
Hetzer et. al. (2008). A FDP (8) representa dada uma velocidade a saída de potência ativa dos
geradores eólicos.
1
,0kk
vc
v
k vf v e v
c c
(8)
0
0
0,para e
,para
,para
i
i
r i r
r i
r r
w v v v v
v vw w v v v
v v
w w v v v
(9)
Figura 1: Saída de Potência em função da
velocidade do vento.
Em que iv é a velocidade inicial para geração de potência, rv é a velocidade de maior
produção e 0v a velocidade máxima para geração, uma velocidade maior pode danificar a
estrutura dos equipamentos. Porém a FDP calcula uma geração para uma velocidade fixa, a
transformação da FDP utilizada por Hetzer et. al. (2008) nos dá a partir de uma geração a
probabilidade de ocorrência dessa, desta forma tratamos a incerteza no problema, pois sendo a
velocidade aleatória não poderíamos considerar uma velocidade fixa.
A transformação da FDP é dada por:
116
1
1 1
exp
k k
i i
n niW
P Pl v l v
P Pklvf P
c c c
(10)
O modelo proposto na seção anterior será resolvido através do método primal-dual de
pontos interiores/exteriores barreira logarítmica modificada (PDPIEBLM) com procedimento
previsor-corretor, o método é determinístico e apresentou bons resultados quando
implementado em MatLab e aplicado ao problema de FPO Reativo com o objetivo de minimizar
as perdas na transmissão dos sistemas, modelo este que considerava as gerações térmicas como
dado do problema. O método foi aplicado aos sistemas IEEE 14, 30, 57 e 118 barras. Os
resultados dessa aplicação podem ser vistos em Souza et. al. (2017).
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Dos artigos citados neste trabalho o artigo de Hetzer et. al. (2008) desenvolve um
modelo de Despacho Econômico que inclui geradores do sistema de conversão de energia eólica
no problema e trata a incerteza da velocidade do vento através da função de distribuição de
probabilidade de Weibull. O problema de otimização é resolvido numericamente para um
cenário envolvendo dois geradores convencionais e dois de energia eólica.
Reddy e Momoh (2016) resolvem um problema de Fluxo de Potência Ótimo para
minimizar a emissão de poluentes com o custo como restrição para um sistema que incorpora
energia eólica. A incerteza da velocidade do vento também é tratada pela função de distribuição
de Weibull. É utilizado para resolução do problema um algoritmo de Bactérias e aplicado ao
sistema IEEE 30 baras com parques eólicos localizados em diferentes barras.
5 CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou um modelo de FPO Ativo/Reativo, com o objetivo de
minimizar os custos na geração de um sistema térmico-eólico. As incertezas do modelo
referentes a parte eólica serão tratadas por uma transformação da função de distribuição de
probabilidade de Weibull e a resolução do modelo através do método PDPIEBLM que é um
método determinístico e será aplicado aos sistemas IEEE 14, 30, 57 e 118 barras, considerando
a inserção de geradores eólicos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
HETZER, J; YU, D, C; BHATTARAI, K. Na Economic Dispatch Model Incorporating Wind
Power. IEEE Transactions on Energy Conversion, v.23, p. 603-611, April. 2008.
REDDY, S. S; MOMOH, J. A. Minimum emissions optimal power flow in wind-thermal power
system using Opposition based Bacterial Dynamics algorithm. Power and Energy Society
General Meeting (PESGM). DOI: 10.1109/PESGM.2016.7741635, Jul.2016.
SOUZA, R.R; BALBO, A.R; NEPOMUCENO, L.; BAPTISTA, E.C.; SOLER, E.M.;
PINHEIRO, R.B.N. A Primal-Dual Interior/Exterior Point Method, with Combined Directions
and Quadratic Test in Reactive Optimal Power Flow Problems. IEEE Latin America
Transactions, v. 15, n.08, p. 1413-1421, Aug.2017.
117
REFORMULAÇÃO DAS RESTRIÇÕES DE COMPLEMENTARIDADE EM
PROBLEMAS DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO
Marina Valença Alencar
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Profa. Dra. Edilaine Martins Soler
Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma nova abordagem para tratar
restrições de complementaridade em problemas de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. A fim de
modelar a atuação dos dispositivos de controle de tensão (taps dos transformadores em fase,
bancos de capacitores e reatores shunt) do sistema elétrico para que apenas atuem quando um
dos limites de tensão for atingido na barra controlada por eles. Trata-se de um problema de
programação não linear inteiro misto de difícil resolução e com variáveis discretas envolvidas.
Neste trabalho é proposta e exemplificada uma reformulação para as restrições de
complementaridade.
PALAVRAS-CHAVE: Restrições de Complementaridade, Fluxo de Potência Ótimo Reativo.
1 INTRODUÇÃO
Neste trabalho investiga-se o problema do Fluxo de Potência Ótimo Reativo (FPOr) que
tem como objetivo a minimização das perdas ativas na transmissão de energia elétrica, mediante
restrições de operação, o qual é um problema de otimização restrito, estático, não convexo, de
grande porte e com variáveis contínuas e discretas. Nele as variáveis de controle referentes a
potência ativa são fixadas e as variáveis de controle referentes a potência reativa são ajustadas
de forma a otimizar o desempenho de operação do sistema.
O modelo proposto por Lage (2013) para o problema de FPOr, faz uma mudança na
modelagem clássica desse problema, trata-se de uma nova modelagem envolvendo restrições
de atuação de dispositivos de controle de tensão, por meio de restrições de complementariedade.
Como essa abordagem descrita do problema leva em consideração a natureza discreta
dos taps dos transformadores e da susceptâncias equivalentes além de poder ser ajustada todas
as variáveis de controle para se determinar o estado ótimo do sistema, pode-se inviabilizar sua
aplicação em sistemas maiores. Tentando viabilizar sua aplicação para problemas de grande
porte, Lage (2013) modela o comportamento dos dispositivos de controle de tensão (taps dos
transformadores em fase, bancos de capacitores e reatores shunt) por restrições de
complementaridade, para que eles operem apenas quando um dos limites de tensão da barra por
ele controlada for atingido, restringindo-se o número de ajustes.
De acordo Rodrigues (2005) problemas de otimização com restrições de
complementaridade são considerados de difícil resolução pois a maioria dos métodos
desenvolvidos para programação não linear não podem ser aplicados diretamente a essas
restrições. Portanto o desenvolvimento de métodos de solução eficientes para tais problemas
torna-se necessário.
2 MATERIAL E MÉTODOS
O modelo matemático proposto por Lage (2013) para o problema de FPOr, no qual o
118
comportamento dos dispositivos de controle de tensão tem natureza discreta e são modelados
por restrições de complementaridade é dado em (1) – (10).
2 2
2,
min max
min max
min
1 1min 2 cos (1)
: ( , , ) 0 (2)
( , ) ( , , ) 0 (3)
( , , ) (4)
(5)
(6)
k
k
k k k
km k m k m km
k m L T km km
k km
m
sh sh
k k k k km
m
g g g
k k k
sh sh sh
k
k
g V V V Vt t
sa P P V t k G C
Q Q V b Q V t k C
Q Q V t Q k G
V V V k
b D k
V
max
min max
min max
(7)
, (8)
, | (9)
, | (10)
sh sh
k k k
km tap
k k k km z
k k k km tap
V V b k
t D k m T
V V V t k m T k T
V V V t k m T k T
Em que as variáveis do problema Vk, θk, tkm, representam respectivamente a magnitude
da tensão na barra k, a fase da tensão na barra k e o vetor dos taps variáveis dos transformadores
em-fase da barra k para barra m. E Pk e Qk representam a injeção de potência ativa e reativa
líquida na barra k, Pkm e Qkm a potência ativa e reativa fluindo da barra k para barra m, Vmin e
Vmax são os limites mínimos e máximos de tensão na barra k, gkm é a condutância série do ramo
km, bsh é o vetor susceptância equivalente dos bancos de capacitores e reatores shunt, Bsh
representa o conjunto das barras com controle da magnitude de tensão por bancos de capacitores
e reatores shunt, L o conjunto das linhas de transmissão, T o conjunto de transformadores com
tap variável, Dtap e Dsh são o conjunto dos valores discretos dos taps dos transformadores e da
susceptância equivalente dos bancos de capacitores e reatores shunt, B é o conjunto de todas as
barras do sistema elétrico, G o conjunto de todas as barras de geração do sistema e C o conjunto
de todas as barras de carga.
No modelo matemático (1) - (10) as restrições que modelam o comportamento dos
dispositivos de controle de tensão são (7), (9) e (10), utilizamos a restrição (9) se a barra por
ele controlada for a barra m ou a (10) se a barra controlada por ele for a barra k.
A fim de tratar essas restrições de complementaridade com limites inferiores e
superiores, o modelo proposto para reformulação será exemplificado por um problema
numérico simples para futuramente ser aprimorado e testado no modelo apresentado para o
FPOr. Vamos considerar o problema (11) – (14) apresentado por Lage (2013), no qual (14) é a
restrição de complementaridade.
4 2
1 1 2
1 2
2
1 2
2
2 1 2
min 2 2 11
. . 3 12
0 13
1.5 2 0.4 14
x x x
s a x x
x x
x x x
A restrição de complementaridade (14) com limites inferiores e superiores pode ser
representada de modo geral por (15).
min max 15x x x F x
119
A qual é equivalente à:
min
min max
max
se então deve-se ter 0
se então deve-se ter 0
se então deve-se ter 0
x x F x
x x x F x
x x F x
Propõe-se neste trabalho reformular as restrições de complementaridade do tipo (15)
utilizando programação inteira mista, para exemplificar a restrição (14) pode ser representada
pelas restrições (16) – (25).
2
1 2
1
2 1
1
2
2 2
2
2
2
0.4 16
(1 ) 17
1.5 18
0,1 19
(1 ) 20
2 21
0,1 22
1.5 0 23
2 0 24
a,b 0 25
x x a b
M y a
x y M
y
M y b
x y M
y
x
x
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para resolução do problema a restrição de complementaridade (14) foi substituída pela
reformulação (16) - (25). Dessa forma utilizou-se o solver gratuito Bonmin, em interface com
o software GAMS e a solução obtida para as variáveis foram1 1.188x ,
2 1.812x , 1 1y e
2 1y . Para a função objetivo o valor de 6.3655749. O tempo computacional de resolução foi
0.016 segundos.
4 CONCLUSÕES
Este trabalho propõe uma abordagem para reformulação de restrições de
complementaridade com limites inferiores e superiores.
De acordo com os resultados obtidos para o problema numérico, observa-se que a
abordagem proposta tem grande potencial de aplicação em problemas complexos como o FPOr.
Futuramente será aprimorada essa reformulação e realizados testes com os sistemas
elétricos IEEE 30, 118 e 300 barras.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LAGE, G. G. O fluxo de potência ótimo reativo com variáveis de controle discretas e restrições
de atuação de dispositivos de controle de tensão. 2013. Tese (Doutor em Ciências),
Universidade de São Paulo, 2013.
RODRIGUES, H. S. F. Problema de otimização com restrições de complementaridade: uma
aplicação ao mercado de energia eléctrica. 2005. 81 f. Tese (Mestrado em Matemática
Computacional) – Escola de Ciências, Universidade do Minho, Minho/Portugal, 2005.
120
MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DA CURVA COTA-PREÇO APLICADA AO
MODELO DE AUTOPRODUÇÃO PARA PROBLEMAS DE LEILÃO DE ENERGIA
Tiago G. Cabana
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
As companhias geradoras necessitam resolver o problema de autoprodução, que calcula a
produção que maximiza seus lucros. A curva cota-preço, que modela a relação entre a cota
gerada pela companhia e o preço de equilíbrio, é essencial para o modelo de autoprodução. Este
trabalho propõe um novo modelo para as curvas cota-preço, que utiliza métodos de simulação
de leilão. A curva proposta é comparada à técnica tradicional de construção da curva cota-preço
em que resultados apontam melhorias na curva elaborada por este método.
PALAVRAS-CHAVE: Curva Cota-Preço; Autoprodução; Ofertas Estratégicas.
1 INTRODUÇÃO
A comercialização de energia é realizada através de leilões em que companhias
geradoras/consumidores fornecem ofertas/lances de venda/compra, envolvendo energia (MWh)
e preços ($/MWh). O Operador de Mercado (OM), cujo objetivo é buscar o bem comum, recebe
as ofertas e os lances e através de um Procedimento de Equilíbrio de Mercado (PEM), isto é o
leilão de energia, determina os preços e potências de equilíbrio no mercado. Neste ambiente as
Companhias Geradoras (CG) podem ser classificadas como price-makers, que são capazes de
alterar o preço de equilíbrio, e as price-takers, que não têm este poder.
As CG necessitam resolver problemas de maximização de lucros, sendo os principais o
modelo de autoprodução (AP), que determina a produção ótima de cada uma de suas usinas, e
o problema de ofertas estratégicas, que define quais devem ser os blocos ofertados no mercado
para alcançar a produção calculada pelo modelo de AP. Uma ferramenta associada ao modelo
de AP é a curva cota-preço, que apresenta a tendência do preço de equilíbrio de acordo com a
cota aceita no mercado, desta forma a CG é capaz verificar seu poder de mercado e calcular a
potência ótima que maximizará sua receita líquida.
Atualmente, as curvas cota-preço são elaboradas através da subtração das curvas de
geração e demanda agregadas. A primeira curva é construída organizando as ofertas recebidas
das companhias geradoras com os preços em ordem crescente, e a segunda curva organizando
os lances dos consumidores com os preços em ordem decrescente.
Este trabalho tem por objetivo apresentar um novo método de construção de curva cota-
preço, através de um processo de simulações iterativas de um PEM. Por motivos didáticos
chamaremos a curva cota-preço construída pelo método tradicional de CCPT e aquela proposta
por este trabalho por CCPS.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
A aplicação da curva cota-preço em modelo de autoprodução deste artigo foi baseado
no trabalho de (TORRE et al., 2002), onde é apresentam uma modelo de linearização por partes
da curva tradicional aplicando a um modelo de AP para usinas termelétricas.
121
Em (STEEGER; BARROSO; REBENNACK, 2014), são apresentadas as principais
metodologias utilizadas no modelo de ofertas estratégicas do dia seguinte para companhias
price-maker e price-taker, tanto de matriz hidrelétrica como termelétrica.
Recentemente (GONZÁLEZ et al., 2017) utilizou a curva cota-preço para modelar
alguns efeitos do mercado do dia seguinte, como a mínima receita que cada companhia deve
ter para participar do mercado e despachar energia e limites de transmissão.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Enquanto que a CCPT é elaborada através de uma simples subtração de curvas, a CCPS
proposta neste trabalho é elaborada através de um processo iterativo de simulações de PEM. A
cada iteração é realizado o PEM com um valor de quantidade de blocos de ofertas diferente,
começando com uma quantidade total de blocos e retirando a um bloco a cada iteração, de
forma que a cada simulação tem-se um preço de equilíbrio associado a um valor de cota da
companhia aceita no mercado.
Para verificar a qualidade da representação do poder de mercado da CCPS comparada
a CDRT inicialmente são construídas as curvas considerando um mesmo sistema, com 20
geradores divididos em 3 companhias, sendo que apenas a companhia 1 tem características
price-maker. Os dados de blocos de ofertas e lances de compras, de um período de 24 horas,
são encontrados em (CONEJO; CARRIóN; MORALES, 2010).
Depois, cada uma das curvas é utilizada como informação de entrada no modelo de AP,
com restrições que levam em conta os aspectos físicos e operativos tanto das usinas termelétricas quanto
hidrelétricas. Com o resultado deste modelo, tem se valor da produção ótima de cada usina. Desta forma utiliza-
se este valor de produção encontrado como a potência do bloco a ser ofertado e o preço é escolhido de acordo com
os dados dos blocos utilizados para construção da curva cota-preço como referência.
Por fim, são ofertados os blocos calculados na etapa anterior em um leilão, em que as ofertas das outras
companhias foram as mesmas que foram utilizadas para a construção das curvas. Como resultado, foram
comparamos os preços de equilíbrio horário encontrado no leilão com os preços de equilíbrio esperados pelas
curvas e calculados os erros. Um último valor comparado é o lucro alcançado da companhia de acordo com cada
uma das curvas.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Tabela 1 apresenta os valores de preços horários encontrados no leilão e os valores
esperados por cada uma das curvas. Podemos observar que o erro médio apresentado pela
CCPS, de 1,1% é menor comparado ao erro da CCPT de 1,48%. Ambos os erros são baixos,
porém a nova abordagem trás uma fidelidade melhor. O outro valor comparado é o lucro obtido
com cada curva. Utilizando a CCPT a companhia alcançou um lucro de $620.597,00 e
utilizando a CCPS alcançou um lucro de $628.345,80, uma diferença diária de $7.748,80.
Tabela 1: Preços encontrados e esperados por cada uma das curvas e erro correspondente.
Preço (CCPS) Esperado Erro Preço (CCPT) Esperado Erro
25.50 23.00 9.80% 25.50 22.83 10.47%
23.00 22.54 2.00% 21.92 21.90 0.09%
21.80 21.80 0.00% 21.80 21.80 0.00%
20.70 21.69 4.78% 20.70 20.99 1.40%
21.80 21.69 0.50% 21.80 21.69 0.50%
21.92 21.80 0.55% 21.92 21.80 0.55%
23.00 22.50 2.17% 23.00 22.83 0.74%
122
24.50 24.12 1.55% 24.14 24.12 0.08%
24.24 23.98 1.07% 23.40 23.94 2.31%
23.40 23.40 0.00% 23.40 23.80 1.71%
23.80 23.80 0.00% 23.80 23.94 0.59%
23.90 23.90 0.00% 23.90 23.80 0.42%
24.12 23.94 0.75% 23.40 23.80 1.71%
24.00 23.94 0.25% 24.00 23.94 0.25%
23.40 23.80 1.71% 23.11 23.40 1.25%
24.12 24.12 0.00% 24.12 23.94 0.75%
24.12 23.94 0.75% 23.40 23.80 1.71%
23.40 23.40 0.00% 23.40 23.80 1.71%
23.90 23.90 0.00% 23.40 23.80 1.71%
25.80 25.80 0.00% 23.50 23.94 1.87%
24.14 24.12 0.08% 23.40 23.94 2.31%
24.12 24.12 0.00% 23.50 23.94 1.87%
23.40 23.40 0.00% 23.98 23.80 0.75%
24.14 23.98 0.66% 24.12 23.94 0.75%
Média de Erro 1.11% Média de Erro 1.48%
5 CONCLUSÕES
Este trabalho cumpriu o objetivo de apresentar um novo modo para construção das
curvas cota-preço em que, a partir dos resultados apresentados, foi possível observar que a
CCPS tem uma representação mais fiel da tendência do preço de equilíbrio comparada a CCPT,
que por consequência resultou em uma receita maior para a CG. Como próximos trabalhos
acrescentar as restrições térmicas e hídricas na construção da curva, pois atualmente leve em
conta apenas aspectos econômicos do leilão.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CONEJO, Antonio J. et al. Decision making under uncertainty in electricity markets. New
York: Springer, 2010.
GONZÁLEZ, José Portela et al. Residual demand curves for modeling the effect of complex
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STEEGER, Gregory; BARROSO, Luiz Augusto; REBENNACK, Steffen. Optimal bidding
strategies for hydro-electric producers: A literature survey. IEEE Transactions on Power
Systems, v. 29, n. 4, p. 1758-1766, 2014.
DE LA TORRE, Sebastián et al. Price maker self-scheduling in a pool-based electricity market:
a mixed-integer LP approach. IEEE Transactions on Power Systems, v. 17, n. 4, p. 1037-
1042, 2002.
123
EMULADOR DE TURBINA EÓLICA USANDO MOTOR DE INDUÇÃO ACIONADO
POR INVERSOR DE FREQUÊNCIA E CONTROLE DE HARDWARE NA MALHA
José Rodrigo de Oliveira
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. André Luiz Andreoli
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um emulador de turbina eólica que consiste de
um motor de indução acionado por um inversor de frequência. O objetivo deste artigo é propor
uma configuração de hardware, que permite testar sistemas de energia eólica para avaliação da
qualidade de energia, confiabilidade e desempenho em um ambiente de laboratório. O
algoritmo do emulador de turbina eólica foi modelado e simulado usando o software MATLAB
/ Simulink®. Além disso, a comunicação entre este software e a bancada experimental é
garantida por um DSP TMS320F28335. Resultados experimentais confirmam que o
desempenho do emulador de turbinas eólicas foi satisfatório, uma vez que foi capaz de
representar um desempenho real.
PALAVRAS-CHAVE: Emulador de turbina eólica, motor de indução, inversor de frequência,
sistemas de energia eólica.
1 INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, a geração de eletricidade através de energia renovável tem crescido
consideravelmente em comparação aos anos anteriores, nesse cenário, a produção de
eletricidade usando energia eólica tornou-se uma das formas importantes para lidar com a
crescente demanda de energia e com a crise ambiental, pois além da construção modular de
fácil expansão, é ambientalmente amigável e economicamente competitiva para muitas
aplicações (BENAAOUINATE et al., 2017).
Os emuladores de vento auxiliam na execução de testes na avaliação do desempenho
dos sistemas de energia eólica e tem sido uma ferramenta importante para pesquisadores da
área. O emulador de turbina eólica (WTE) pode ser usado para conduzir um gerador elétrico de
forma similar à uma turbina eólica, reproduzindo o torque desenvolvido para uma determinada
velocidade do vento (VOLTOLINI et al., 2012).
Este trabalho apresenta um emulador de turbina eólica com motor de indução trifásico
acionado por inversor de frequência. Para a modelagem de uma turbina eólica real, foi utilizado
o software MATLAB / Simulink®. A implementação do emulador foi satisfatório, uma vez que
os resultados obtidos demonstraram a eficácia do emulador proposto, haja vista que os
resultados experimentais apresentaram o mesmo comportamento dos resultados
computacionais.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Segundo Moussa, Bouallegue e Khedher (2014) a figura 1 apresenta o diagrama que
representa o sistema de conversão de energia eólica, que basicamente consiste em três blocos
principais: o emulador de vento, o gerador e o conversor. Assim, o emulador de vento, incluindo
uma turbina eólica, converte energia cinética em energia mecânica enquanto o gerador converte
124
a energia mecânica recuperada através do eixo do motor em energia elétrica. Neste caso, um
conversor é necessário, pois fornece a frequência de adaptação das grandezas elétricas
provenientes do gerador e dessas redes.
Figura 1 - Sistema de conversão de energia eólica.
Adaptado de Moussa, Bouallegue e Khedher (2014).
No laboratório, os sistemas de emuladores de vento são geralmente implementados com
motores de indução ou motores de corrente contínua. As principais desvantagens dos motores
DC são as dimensões, seu elevado custo e a frequente manutenção exigida comparando com os
motores de indução, e esse por sua vez, além da sua simplicidade, produz fator de potência
reduzido e apresenta maior rendimento em carga máxima. Uma alternativa para superar essas
desvantagens é a uso do motor de indução como motor principal no WTE (VOLTOLINI et al.,
2012).
3 MATERIAL E MÉTODOS
Utilizamos para o estudo do emulador de turbina eólica, um motor de indução
controlado por um inversor de frequência, acoplado mecanicamente a uma máquina de corrente
contínua, cuja armadura foi conectada a uma carga resistiva variável. Além disso, entre os eixos
das máquinas elétricas, existe um sensor de torque.
Através do software MATLAB/Simulink® do foi possível implementar o modelo
matemático de uma turbina eólica real. Com o uso deste software, foi possível fazer a
comunicação entre o modelo desenvolvido e a bancada de testes através de uma biblioteca
fornecida pela Texas Instruments. A comunicação é realizada pelo DSP TMS28F335, ao qual
o modelo computacional fornece a variável de tensão de referência ao inversor de frequência
(que é responsável por impor a velocidade no motor de indução), assim com as informações de
vento e torque provenientes da bancada experimental, o microcontrolador determina o valor da
velocidade, de acordo com a dinâmica da carga, retornando o sinal de tensão que aciona o
inversor de frequência conectada a uma máquina de indução. O toque medido pelo sensor de
torque é enviado ao DSP que o transmite o mesmo ao Matlab/Simulink®, permitindo a
comparação entre o torque medido com o toque obtido computacionalmente.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste trabalho, a bancada experimental simula um modelo de turbina eólica de 3k, ao
qual acoplamos uma carga resistiva variável, com finalidade de analisar a variação de torque
até atingir o ponto de excitação e perturbar a máquina de corrente contínua.
Para tanto, utilizamos como parâmetros de análise ventos de 6, 8 e 10 m/s, por se
tratarem de valores médios de velocidade de vento encontrados no Brasil, desta forma
ressaltamos que a bancada permite a simulação que outros valores de vento.
Para fins de coleta de dados, obtivemos dados referente ao torque mecânico, potência
elétrica e velocidade, obtidos através de um oscilógrafo acoplado ao DPS, mais a leitura de
tensão e corrente da carga, resultado da leitura dois multímetros digitais, permitindo a
125
comparação entre a potência elétrica gerada, obtida pelo modelo computacional em relação a
potência medida na carga.
Nos testes realizados, observamos que o perfil de potência disponível da turbina eólica
emulada ocorreu como esperado, diferenciando-se apenas pela eficiência da máquina de
indução.
5 CONCLUSÕES
Este trabalho propôs um modelo completo de um emulador de turbina eólica. A bancada
de testes foi composta por um motor de indução acionado por um inversor de frequência
controlado pelo modelo desenvolvido no software MATLAB / Simulink®. A simulação foi
implementada através do DSP TMS28F335 em termos de controle da bancada de simulação. O
emulador proposto é interessante, uma vez que permite o estudo de sistemas de energia eólica
visando melhorar a qualidade da energia sem depender do uso de uma turbina eólica real. Além
disso, o sistema proposto é extremamente importante no desenvolvimento de pesquisas em
regiões com baixa incidência de vento, o que impossibilita a instalação de aerogeradores, além
do alto custo desses equipamentos para uso acadêmico.
Os resultados apresentaram a eficácia do emulador proposto, uma vez que houve
validação dos resultados experimentais em comparação aos simulados, garantindo a
confiabilidade e utilidade deste emulador para representar uma turbina eólica real. Como
trabalhos futuros, propõe-se o estudo e a implementação de algoritmos para desenvolver o
controle do ângulo de inclinação, a fim de emular a extração da potência máxima disponível
pelo vento.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BENAAOUINATE, L. et al. Development of a useful wind turbine emulator based on
permanent magnet DC motor. 2017 14th International Multi-conference On Systems,
Signals & Devices (ssd), [s.l.], p.44-48, mar. 2017. IEEE.
MOUSSA, I.; BOUALLEGUE, A.; KHEDHER, A. Design and implementation of constant
wind speed turbine emulator using Matlab/Simulink and FPGA. 2014 Ninth International
Conference On Ecological Vehicles And Renewable Energies (ever), [s.l.], p.1-8, mar. 2014.
VOLTOLINI, Helio et al. Modeling and simulation of the Wind Turbine Emulator using
induction motor driven by torque control inverter. 2012 10th IEEE / IAS International
Conference On Industry Applications, [s.l.], p.1-6, nov. 2012. IEEE.
126
UM MÉTODO HÍBRIDO DE PONTOS INTERIORES E PSO E SUA EFICIÊNCIA
NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO
João Paulo de Lima
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Profa. Dra. Edmea Cássia Baptista
Orientadora – Depto. De Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
Neste trabalho será proposta uma metodologia híbrida para a resolução do problema de Fluxo
de Potência Ótimo, um problema de extrema relevância da área de Sistemas Elétricos de
Potência. Tal problema tem como objetivo assegurar condições ótimas do sistema a partir de
um certo objetivo determinado. Matematicamente é formulado como um problema não linear,
restrito, de grande porte e com variáveis contínuas e discretas. Trata-se de um problema de
difícil resolução, que motiva diversos trabalhos sobre a investigação de métodos que o resolvam
de forma eficiente. Neste trabalho, tem-se como objetivo combinar o Método Primal-Dual
Barreira Logarítmica (PDBL) com o método heurístico Enxame de Partículas (PSO) e aplicar
essa metodologia híbrida na resolução do Problema de Fluxo de Potência Ótimo, com variáveis
contínuas e discretas, e verificar sua eficiência.
PALAVRAS-CHAVE: Metaheurística, Fluxo de Potência Ótimo, Enxame de Partículas.
1 INTRODUÇÃO
O problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) é investigado na Engenharia Elétrica,
área de Sistemas Elétricos de Potência. Seu modelo foi proposto por Carpentier, em 1962,
baseado no problema de Despacho Econômico. Do ponto de vista matemático é possível
descrevê-lo como um problema não linear, restrito, não convexo e de grande porte, com
variáveis contínuas e discretas
Este problema é uma ferramenta que tem por finalidade fornecer a melhor condição de
operação de um Sistema Elétrico de Potência, sob um determinado objetivo. O objetivo pode
ser, por exemplo, a condição de operação com a menor quantidade de perdas de potência ativa
possível. Este problema não tem uma solução trivial, pois a solução encontrada deve respeitar
os limites operativos dos equipamentos que compõem a rede elétrica, assim como, atender
outras restrições inerentes à operação de um sistema elétrico.
Dadas as dificuldades na resolução e a tamanha relevância deste problema, são
encontrados na literatura diversos métodos que se propõem a resolvê-lo de forma eficiente,
como em Baptista (2001), Delgado(2016), Oriondo (2016), entre outros.
Dentre os métodos determinísticos damos destaque, neste trabalho, ao método Primal
Dual Barreira Logaritmica, proposto por Waltz. et al, 2004, o qual é um método de pontos
interiores que garante que em todos os passos dados pelo algoritmo se obtenha pontos contidos
na região factível. Esse método se mostrou eficiente na resolução do Fluxo de Potência Ótimo
com variáveis contínuas.
Um algoritmo de otimização heurística que vem sendo utilizado para problemas
relacionados aos Sistemas Elétricos de Potência é o da Otimização por Enxame de Partículas
(PSO). O método foi proposto por Eberhart e Kennedy em 1995 e tem como objetivo buscar a
solução ótima, em um espaço de busca, através da troca de informações entre indivíduos de
uma população determinando qual trajetória cada um deles deverá tomar no espaço de busca.
127
Desta forma, neste trabalho propõe-se uma metodologia híbrida de resolução que utiliza
o método determinístico, PDBL, e o método heurístico, PSO, e uma análise desta, em relação
à sua eficiência na resolução do problema de Fluxo de Potência Ótimo.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Na literatura têm sido propostas abordagens híbridas para diversos problemas de difícil
resolução, levando em conta as vantagens e desvantagens de cada um dos métodos utilizados
de acordo com as características do problema abordado.
Delgado (2016) propõe uma metodologia que combina os métodos de Barreira e
Barreira Modificada para a resolução do Fluxo de Potência Ótimo reativo, atestando a eficiência
dessa abordagem.
Diversas combinações de metaheurísticas também podem ser encontradas na literatura.
Em Wei Yan (2006) propõe-se uma metodologia híbrida que envolve o Método de Pontos
Interiores e um Algoritmo Genético para a resolução do problema de FPO reativo, ou seja, um
método determinístico combinado com uma metaheurística e o autor demonstra sua eficiência
através de testes computacionais com os sistemas elétricos de 30 até 161 barras.
Além disso, na literatura podemos encontrar referências sobre a eficiência do método
PSO para a resolução de problemas ligados aos SEP, como em Esmin (2017). Portanto, uma
metodologia que envolva os métodos de Pontos Interiores, de Waltz (2003), e o PSO é uma
abordagem que tem características promissoras para a resolução do FPO.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Inicialmente serão implementados e analisados’ os métodos separadamente,
verificando, assim, seu desempenho e possíveis dificuldades computacionais encontradas
relacionadas ao problema proposto.
De acordo com a eficiência mostrada por esses métodos citados e seus benefícios
apresentados para a resolução do problema, uma metodologia híbrida de métodos
determinísticos e não-determinísticos será proposta e seu desempenho será analisado.
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Um método que se mostrou eficiente na resolução do problema de FPO é o Método
Primal-Dual Barreira Logarítmica, como apresentado em Waltz. et al, 2004. Porém tal método
resolve o problema considerando suas variáveis como contínuas, sendo necessárias
aproximações posteriores, gerando um afastamento do ponto ótimo encontrado. Por este
motivo, podemos observar na literatura modelos não determinísticos, ou heurísticos que
facilitam o tratamento das variáveis discretas do problema.
Já Gamino (2016) propõe, em seu trabalho, metaheurísticas aplicadas ao problema de
FPOR, as quais se mostraram eficientes na resolução do mesmo. Em Esmin (2017) um estudo
da aplicação do método de Enxame de Partículas na resolução de problemas ligados aos
Sistemas Elétricos de Potência é encontrado.
4 CONCLUSÕES
Espera-se obter uma metodologia híbrida eficiente para a resolução do problema de
Fluxo de Potência Ótimo que possa explorar os benefícios do método Primal-Dual Barreira
Logarítmica para o tratamento das variáveis contínuas e funções diferenciáveis, juntamente
128
com a eficiência e praticidade das técnicas Heurísticas para a abordagem das variáveis discretas
e funções não diferenciáveis.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CARPENTIER, J.L. Contribution a L’etude du Dispatching Economique, Bull-Soc. Fr Elec,
1962. p. 431-447
DELGADO, J.A, BAPTISTA, E.C. The combination of methods barrier and modified barrier
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EBERHART, R. C. AND KENNEDY, J. (1995). A new optimizer using particle
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human science, volume 1, pages 39–43. New York, NY.
ESMIN, A. A. A. Estudo de Aplicação do Algorítmo de Otimização por Enxame de
Partículas na Resolução de Problemas de Otimização Ligados ao SEP. Tese(Tese em
Engenharia Elétrica) – UNIFEI. Itajubá/MG. 2017.
GAMINO, B. R. DE ARAÚJO, P. B. FORTES, E. V. MARTINS, L.F.B. Meta- Heurísticas
Bio- Inspiradas Aplicadas ao Problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. Simpósio
Brasileiro de Pesquisa Operacional. (2016).
ORIONDO, M. A. M. Resolução do problema de fluxo de potência ótimo pela meta-
heurística algoritmo dos fogos de artifício de busca dinâmica com mutação de covariância.
Dissertação. FEIS. Ilha Solteira/SP. (2016).
WALTZ, R.A. J. L.MORALES, J. NOCEDAL, D. ORBAN. An interior algorithm for nonlinear
optimization that combines line search and trust region steps. Math. Prog. A. vol. 107, pp. 391–
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YAN, W., LIU, F., CHUNG, C.Y., & WONG, K.P. A hybrid genetic algorithm-interior point
method for optimal reactive power flow. IEEE Transactions on Power Systems, 21, 1163-1169.
2006.
129
DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA GESTÃO DA DEMANDA ATRAVÉS
DE GERENCIAMENTO INTELIGENTE DE ENERGIA E USINAS VIRTUAIS
Bruno Aguilar da Cunha
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
Orientador – Instituto de Ciência e Tecnologia – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Antonio Cesar Germano Martins
Coorientador – Instituto de Ciência e Tecnologia – Unesp – Sorocaba
RESUMO
Este trabalho apresenta um projeto sobre gestão eficiente da demanda de energia através do
conceito de usinas virtuais para gerenciamento inteligente das fontes energéticas distribuídas
em microgrids ou redes de baixa tensão. O projeto ainda em fase de estudo busca compreender
aspectos técnicos e operacionais destes sistemas com o objetivo de obter um software
especialista multiagente que se aplique ao sistema elétrico brasileiro, principalmente com foco
na mini e microgeração distribuída, explorando possíveis inovações, considerando as
particularidades do clima e das energias renováveis, o mercado de energia e as normatizações
existentes em âmbito nacional.
PALAVRAS-CHAVE: Usinas Virtuais de Energia; Demanda; Geração Distribuída; Energias
Renováveis.
1 INTRODUÇÃO
A energia elétrica no mundo, historicamente, se baseou em usinas centralizadas para
geração de eletricidade. Com o advento das energias renováveis, nos últimos anos, houve um
crescimento significativo da utilização de geração distribuída (COLMENAR-SANTOS et al.,
2016) para substituição das fontes tradicionais de energia como petróleo, gás natural, carvão,
entre outras (PLANCKE et al., 2018). O uso de fontes renováveis e sua consequente geração
distribuída, introduzem diversos desafios técnicos com relação ao controle, gerenciamento e
utilização eficiente dos recursos (GHADAMGAHI; HASHEMI, 2018).
As fontes energéticas renováveis e distribuídas são geralmente utilizadas como uma
segunda fonte primária, gerando parte da energia necessária para consumo, ocorrendo muitas
vezes em microgrids, que tem como um dos propósitos, gerar energia limpa mais próxima aos
consumidores. Essa proximidade é bastante vantajosa por aumentar a eficiência da rede híbrida
e também devido ao fato que parte considerável da energia gerada pode ser perdida devido a
distância entre os pontos de geração e de consumo (GHADAMGAHI; HASHEMI, 2018).
A natureza intermitente das energias renováveis também apresenta um grande desafio
para o crescimento e expansão da utilização dessas fontes, assim como a infraestrutura existente
para transmissão que foram projetadas mais para a eficiência do que flexibilidade e a
distribuição ocorre, muitas vezes, através de fluxos unidirecionais e conexão de carga e não por
meio de interconexões de geração, que são necessárias para conectar as diferentes fontes
distribuídas (COLMENAR-SANTOS et al., 2016).
Considerando o cenário futuro de automatização energética através das redes
inteligentes, o gerenciamento da diversidade de fontes de energia existentes no Brasil poderá
ser realizado através do uso de Microgrids e de Usinas Virtuais de Energia e, portanto, este
130
resumo apresenta um projeto cujo objetivo é desenvolver um sistema para obter o
gerenciamento automático de energia, através de previsões de demanda geradas dentro do
contexto de Usinas Virtuais utilizando técnicas computacionais para o gerenciamento adequado
e eficiente de energia.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Considerando a abordagem principal a ser utilizada neste trabalho, o conceito de Usinas
Virtuais de Energia se apresenta como algo relativamente novo com os primeiros artigos
surgindo no início da década passada (DIELMANN; VAN DER VELDEN, 2003). Diversos
autores declaram ser um tema em aberto, em fase de hipóteses sendo formuladas, e não há uma
definição única na literatura para a sua estrutura, composição e funcionalidades. Uma definição
aceita, cita que as Usinas Virtuais são representações flexíveis de um portfólio de energias
renováveis distribuídas, criando um perfil operacional único através da agregação das mais
variadas gerações existentes juntamente com seus parâmetros, incorporando também restrições
espaciais. Uma outra definição, dá ênfase no fato de que Usinas Virtuais são também sistemas
de software para de forma remota e automática despachar e otimizar o lado da geração para
atender a demanda, assim como gerenciar bem os recursos de armazenamento de energia (ESS)
(PLANCKE et al., 2018).
Frequentemente os trabalhos encontrados mencionam Usinas Virtuais e Microgrid
juntos como soluções alternativas para integrar as gerações distribuídas da rede. Contudo, há
diferenciações, devido ao fato de microgrid ser um pequeno sistema que possui um ou mais
geradores distribuídos locais e um cluster de cargas operando juntos através de software e
dispositivos de gerenciamento de energia, sendo normalmente aplicado na baixa tensão e
conseguir operar no modo ilhado (ABDOLRASOL; MOHAMED; HANNAH, 2017), ao
contrário das Usinas Virtuais que devem estar sempre conectadas e permite também
negociações de preço ou suporte ao sistema de serviços (PLANCKE et al., 2018; MASHHOUR;
MOGHADDAS-TAFRESHI, 2009).
3 MATERIAL E MÉTODOS
O estudo a ser realizado deverá trazer uma discussão dos conceitos e técnicas utilizadas
na concepção e gerenciamento de Usinas Virtuais, assim como o levantamento das técnicas de
gerenciamento da demanda de energia através de abordagens de inteligência artificial.
As usinas virtuais em funcionamento, assim como, alguns estudos existentes, estão
contextualizados em sistemas de energia de médio e grande porte, sendo localizadas em países
do hemisfério norte que possuem características de funcionamento e uma demanda de energia
bastante relacionados ao clima e necessidades locais (PLANCKE et al., 2018). Será, portanto,
verificada a viabilidade de aplicação dos conceitos de Usinas Virtuais em sistemas de energia
de baixa tensão no Brasil, com foco na mini e microgeração, com suas respectivas
particularidades, dificuldades e possibilidades de inovação.
A princípio, considera-se, que no cenário brasileiro, uma abordagem mais adequada seja
a utilização de uma usina virtual com enfoque comercial, embora em outros países há um
desenvolvimento significativo de usinas virtuais técnicas para melhorias nos indicadores de
qualidade de energia (PLANCKE et al., 2018).
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O resultado inicial a ser obtido após profunda revisão bibliográfica é a compreensão
131
mais clara das diferenças e semelhanças existentes com relação a usinas virtuais e microgrids
e os sistemas de gerenciamento inteligente de energia como um todo. Não se encontra claro
ainda, qual abordagem será mais adequada para o gerenciamento da demanda na baixa tensão
(micro e mini geração), ou se deverá ser conduzido um desenvolvimento híbrido, gerando uma
abordagem que traga características interessantes de ambas as técnicas.
É importante salientar que uma dificuldade referente a usinas virtuais é a extrema
complexidade computacional na estratégia de se controlar diversas fontes e agregadores, assim
como a heterogeneidade da rede. Outra grande adversidade são as normas e regulamentações
brasileiras que podem ser entraves significativas na idealização deste tipo de sistema e que
deverão nortear e limitar o escopo desta proposta.
5 CONCLUSÕES
Através deste trabalho, espera-se, portanto, obter um sistema de gerenciamento
inteligente de energia, com predição de demanda e otimização dos recursos energéticos
disponíveis em uma rede de baixa tensão ou microgrid no país. Com um viés comparativo entre
a forma de aplicação dos conceitos de sistemas inteligentes de energia e Usinas Virtuais no
resto do mundo e as características e propriedades do mercado e do sistema elétrico brasileiro,
pretende-se identificar as particularidades e as possibilidades de inovação utilizando
abordagens ainda pouco aplicadas no cenário nacional com o objetivo de tornar mais eficiente
e integrada a utilização distribuída de fontes renováveis existentes no país.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABDOLRASOL, Maher GM; MOHAMED, Azah; HANNAN, M. A. Virtual Power Plant and
Microgrids controller for Energy Management based on optimization techniques. Journal of
Electrical Systems, v. 13, n. 2, 2017.
COLMENAR-SANTOS, Antonio et al. Distributed generation: A review of factors that can
contribute most to achieve a scenario of DG units embedded in the new distribution
networks. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 59, p. 1130-1148, 2016.
DIELMANN, K.; VAN DER VELDEN, Alwin. Virtual power plants (VPP)-a new perspective
for energy generation?. In: Modern Techniques and Technologies, 2003. MTT 2003.
Proceedings of the 9th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-
graduates and Young Scientists. IEEE, 2003. p. 18-20.
GHADAMGAHI, A. M. S.; HASHEMI, Z. A Review of an Essential Role of the Distributed
Power Generation-Applications and Challenges. Innov Ener Res, v. 7, n. 199, p. 2576-
1463.1000199, 2018.
MASHHOUR, Elaheh; MOGHADDAS-TAFRESHI, S. M. A review on operation of micro
grids and virtual power plants in the power markets. In: Adaptive Science & Technology,
2009. ICAST 2009. 2nd International Conference on. IEEE, 2009. p. 273-277.
PLANCKE, Glenn et al. Virtual power plants: Definition, applications and barriers to the
implementation in the distribution system. In: European Energy Market (EEM), 2015 12th
International Conference on the IEEE, 2015. p. 1-5.
132
CARACTERIZAÇÃO DE CARGAS NÃO-LINEARES EM CIRCUITOS
TRIFÁSICOS A 3 E 4 CONDUTORES
Risomar de Andrade Alves Santos
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – FEB – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Helmo Kelis Morales Paredes
Orientador – Engenharia de Controle e Automação – ICTS – Unesp – Sorocaba
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
Co-orientador – Engenharia de Controle e Automação – ICTS – Unesp – Sorocaba
RESUMO
Esse trabalho visa o estudo comparativo e a análise de circuitos elétricos utilizando as teorias
de potência CPT e CPC do inglês (Conservative Power Theory) e (Currents’ Physical
Components), respectivamente. O objetivo central é discutir a caracterização de cargas e
autoprodutores em sistemas trifásicos a três ou a quatro condutores, com cargas não lineares
que podem causar distorções indesejáveis no sistema de fornecimento de energia. Portanto, a
determinação das propriedades de potência e a interpretação dos fenômenos relacionados a tais
propriedades são fundamentais, devido ao comportamento não senoidal dos sinais de tensões e
correntes, especialmente em sistemas trifásicos desequilibrados.
PALAVRAS-CHAVE: Caracterização de Cargas, Qualidade da Energia Elétrica, Geração
Distribuída, Teorias de potência CPT e CPC.
1 INTRODUÇÃO
Os sistemas de energia estão se tornando cada vez mais complexos devido à expansão
da eletrônica de potência, em meio à proliferação intensa dos usuários que geram e consomem
sua própria energia (autoprodutores). A complexidade dos sistemas elétricos trifásicos se reflete
no fluxo da energia, que passa a ser bidirecional, não apenas devido à energia gerada pelos
autoprodutores, mas também está atrelada a conexão de cargas não lineares monofásicas,
bifásicas e trifásicas. Essas combinações de geração e consumo de energia geram correntes com
diferentes amplitudes (correntes desbalanceadas), que ao transitarem pelas redes de distribuição
resultam em desequilíbrio nas tensões. As diferentes amplitudes nas tensões e nas correntes do
sistema trifásico dão origem ao fenômeno conhecido como assimetria (desequilíbrio/
desbalanço). Além de outros fenômenos de potências como: defasagem entre tensão e corrente
(reativos) e a não linearidade (distorção harmônica). O fluxo de potência ativa e não ativa
(reativos, assimetrias e não linearidade), associado à geração local e ao consumo de energia da
rede são bidirecionais, os efeitos desse fluxo no PAC (ponto de acoplamento comum) são as
interpretações errôneas do fator de potência, além do aumento das distorções harmônicas [1].
Dessa forma, as concessionárias de energia devem adequar o modo de operação dos sistemas
elétricos modernos, levando em conta fenômenos de potências que requerem melhor
interpretações [1-2].
A definição de uma teoria de potência que incorpore essas interações entre a geração e
o consumo de energias ainda é um desafio da engenharia elétrica [1], pois essas condições de
operação requerem definições singulares para quantificar a potência gerada e consumida.
Surgem então teorias de potência que ao longo de décadas têm tentado reinterpretar os sistemas
elétricos para condições não-senoidais e/ou desequilibradas. Cada proposta apresenta foco em
133
uma aplicação, tais como estratégias de compensação, tarifação, mediação de energia ou
monitoração de qualidade de energia [3].
Neste sentido, a CPT [3], e a CPC [4-5] serão utilizadas e avaliadas para encontrar
circuitos equivalentes, isto é caracterizar autoprodutores em sistema trifásicos a 3 e a 4
condutores na presença de distorções e/ou desequilíbrios de tensão. Além disso, esse trabalho
tem por finalidade o estudo e implementação das teorias de potência CPT e CPC, com o objetivo
de comparar as propriedades de potência com os respectivos fenômenos físicos de sistemas
elétricos trifásicos a 3 ou 4 fios.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Até o momento, pode-se dizer que não existe uma teoria de potência que seja
considerada por todos como sendo definitiva, no entanto, existem poucos estudos comparativos
publicados na literatura entre as teorias que se destacam até o momento [6-7]. A CPT e a CPC
serão utilizadas nesse estudo comparativo, a fim de discutir as suas particularidades como, por
exemplo, o domínio da frequência versus domínio do tempo.
3 MATERIAL E MÉTODOS
O propósito final desse trabalho é apresentar uma metodologia que possa representar os
circuitos equivalentes como uma fonte de tensão ou fonte de corrente, utilizando as
propriedades de potência/corrente das teorias de potência CPT e CPC, a fim de estudar e
comparar as teorias aplicadas aos circuitos em um âmbito de caraterização de carga, apontando
a direção do fluxo harmônico no sistema elétrico. As técnicas de análises serão explicitadas
através de estudos de casos de simulação no software PSIM/SIMCAD.
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Estão sendo utilizadas as teorias de potência CPT [3] e a CPC [4-5] como base teórica
para dar continuidade às pesquisas e, para desenvolver novas soluções para às questões
apresentadas nos parágrafos anteriores. Os dados obtidos até o momento estão sendo
consolidados e discutidos.
5 RESULTADOS E DISCURSÃO
Utilizando as condições de fonte de tensão simétrica e carga não linear, foram analisados
os resultados das Figuras 1 e 2. Com relação às análises de valor médio, a CPT usa tais
informações apenas para calcular a integral imparcial, e todo o restante da análise é feita de
forma instantânea. Por outro lado, a CPC é baseada no domínio da frequência, precisando da
Transformada de Fourier, tendo então todo o resultado da análise dependendo do período
completo. Isso significa que qualquer erro proveniente de ruídos e/ou erros de quantização e
amostragem só afeta as componentes reativas na CPT, mas afeta todas as componentes da CPC.
A CPC separa a corrente gerada iG (corrente gerada) como sendo a soma das harmônicas
que têm potência ativa negativa. Se a análise for feita passo a passo, o resultado entre os passos
pode ser completamente diferente, com harmônicas sendo reclassificadas como gerada ou não,
e produzindo um ruído adicional em torno da frequência de amostragem (ou seja, alta
frequência). Se então esse resultado for utilizado para compensação, esses erros produzem uma
realimentação positiva que amplificam, aumentando o ruído de alta frequência.
134
Figura 1 – CPT Figura 2 - CPC
6 CONCLUSÕES
No final do projeto espera-se desenvolver uma metodologia que seja capaz de identificar
os parâmetros de um autoprodutor, ou seja, carga trifásica (linear, não linear, balanceada ou
não), por um circuito equivalente composto por associações (série ou paralelo) de admitâncias
associadas a uma fonte de corrente distorcida ou impedâncias associadas a uma de fonte de
tensão distorcida.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] POMILIO, J. A.; BONALDO, J. P.; MORALES-PAREDES, H. K.; TENTI, P. About power
factor and thdi in the smart micro-grid scenario. In: Proc. IEEE 13th Brazilian Power Electronics
Conf. and 1st Southern Power Electronics Conf. (COBEP/SPEC). [S.l.:s.n.], 2015. p. 1–5.
[2] BONALDO, J. P.; PAREDES, H. K. M.; COSTABEBER, A.; POMILIO, J. A. Adaptive
saturation system for grid-tied inverters in low voltage residential micro-grids. In: Proc.IEEE 15th
Int. Conf. Environment and Electrical Engineering (EEEIC). [S.l.: s.n.], 2015. p. 784–789.
[3] PAREDES, H. K. M. et al. Teoria de potência conservativa: uma nova abordagem para o
controle cooperativo de condicionadores de energia e considerações sobre atribuição de
responsabilidades. UNICAMP, [sn], 2011.
[4] CZARNECKI, L. S. New power theory of the 3-phase non-linear asymmetrical circuits supplied
from nonsinusoidal voltage sources, in Proc. IEEE Int 1988. Symp. Circuits and Systems, Jun. 1988,
pp. 1627–1630 vol.2.
[5] CZARNECKI, L. S.; HALEY P. M., Unbalanced power in four-wire systems and its reactive
compensation, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 30, no. 1, pp. 53–63, Feb. 2015.
[6] BOGILA, A. Teorias de Potência Conservativa e Instantânea: Análise Comparativa.Dissertação
(Mestrado) — UNESP, 2014.
[7] JELTSEMA, D.; HARTMAN, M. T.; WOUDE, J. van der. Constitutive currents and power
components for polyphase load analysis under nonsinusoidal and unbalanced conditions. In: Proc.
14th Biennial Baltic Electronic Conf. (BEC). [S.l.: s.n.], 2014. p.249–252. ISSN 1736-3705.
135
UTILIZAÇÃO DE SENSORES PIEZELÉTICOS EM TRANSFORMADORES DE
POTÊNCIA PARA LOCALIZAÇÃO DE FALHAS INCIPIENTES
André Gifalli
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. André Nunes de Souza
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
A estabilidade e confiabilidade do sistema de transmissão da rede elétrica dependem de uma
operacionalidade correta dos transformadores de potência, por cuja falhas e danos podem causar
interrupções indesejáveis ao sistema. Sendo assim o monitoramento eficiente das falhas
incipientes desses equipamentos de alto valor agregado, para o sistema, colaboram para o
aumento da confiabilidade e eficiência do sistema de transmissão de energia elétrica.
O trabalho proposto tem como objetivo diagnosticar falhas incipientes nos transformadores de
potência com o auxílio de sensores piezelétricos e técnicas de sistemas inteligentes para o
tratamento dos dados. Algumas técnicas de inteligência computacional como: support vector
machine (SVM), Optimum Path Forest (OPF) serão utilizadas para o tratamento de dados para
classificação das falhas.
PALAVRAS-CHAVE: Transformadores, Piezoeletricidade, Diagnostico, Técnicas
Inteligentes.
1 INTRODUÇÃO
O crescente aumento da demanda energética no mundo exige debate e preocupação com
à confiabilidade e qualidade do fornecimento de energia elétrica, seja nos setores de geração,
transmissão ou distribuição de energia. Os centros consumidores, indústria, comercio e
prestação de serviços dependem de uma energia eficiente e de qualidade, já que a energia
elétrica é fundamental para o desenvolvimento desses usuários.
Outro aspecto relevante é a evolução dos métodos de manutenção preditiva e preventiva
do sistema elétrico que é extremamente importante para aumentar a eficiência dos
equipamentos que compõem todo o sistema. Dentro deste contexto, o desenvolvimento de
técnicas que têm como característica a predição de falhas no sistema elétrico torna-se, por
conseguinte, um fator imprescindível para a melhoria dos índices de qualidade e confiabilidade
desse sistema, seja no setor de geração, transmissão ou distribuição de energia.
A utilização dos sensores piezelétricos e das técnicas inteligentes contribuem para
monitoramento e a localização de falhas incipientes em transformadores de potência, sendo de
grande importância para a prevenção de problemas funcionais desses equipamentos.
O objetivo do trabalho proposto é classificar e atribuir classes aos transformadores
analisados, com o uso dos sensores piezelétricos e das ferramentas de inteligência
computacionais. Classes essas que contribuíram para uma manutenção preventiva ou mesmo
corretiva do transformador de potência.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Os transformadores de potência, por serem equipamentos de alto custo, necessitam de
monitoramento e manutenções preventivas constantemente, afim de evitar gastos excessivos
136
com a troca e falha desses equipamentos.
Os transformadores de potência são os aparelhos de alto custo para os sistemas de
transmissão de energia elétrica. Uma substituição devido a uma falha inesperada pode causar
grandes transtornos, além de grandes perdas financeiras. O monitoramento permanente deste
equipamento pode detectar problemas incipientes, evitando que eles se desenvolvam de
maneira descontrolada e causem a falha repentina do transformador. Sendo assim, a
manutenção preditiva de transformadores pode garantir não só uma maior confiabilidade e
eficiência na transmissão da energia elétrica, como também uma redução nos custos de
manutenção (PAPER et al., 2008).
Neste contexto, um problema comum que se desenvolve lentamente ao longo do tempo
e pode levar à falha total do transformador é a descarga parcial. Se não forem detectadas, as
descargas parciais podem deteriorar completamente o sistema de isolamento do equipamento,
levando a uma falha catastrófica.
O surgimento de descargas parciais está relacionado com fatores críticos na operação
destes aparelhos, sobrecarga, superaquecimento, transitórios e sinais elétricos de grande
conteúdo harmônico, colaboram para degradação das propriedades físicas e químicas dos
materiais responsáveis pela isolação do mesmo.
Segundo Hauschild e Lemke (2014), as descargas parciais são consequências de
imperfeições ou não conformidades nos materiais que compõe a isolação do transformador. Um
exemplo disso são os gases dissolvidos nos materiais isolantes sejam eles sólido ou líquido ou
materiais deteriorados. De acordo com Bartley (2003), estas não conformidades, que se
caracterizam pela discrepância da composição físico-químico original do material, geralmente
são inerentes ao processo de fabricação ou mesmo gerados através da degradação e
contaminação do isolamento pelas características de funcionamento ou pelo próprio ambiente.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Este trabalho será realizado nas dependências do “Laboratório de Sistemas de Potência
e Técnicas Inteligentes” (LSISPOTI) do Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de
Engenharia da UNESP, campus de Bauru. Abrigando trabalhos do grupo de pesquisa “Sistemas
de Potência e Técnicas Inteligentes”. Há um conjunto de computadores conectados a WEB e
conta com os softwares Microsoft Office, Matlab, PSCAD, entre outros. Conta também com
equipamentos como: analisador de energia portátil modelo AE-200, osciloscópio digital,
multímetros digitais e medidores de energia eletrônicos e analógicos, bancada de trabalho
eletrônico, fontes, entre outros.
O desenvolvimento do trabalho consiste em três etapas importantes:
Aquisição de sinais oriundos dos sensores piezelétricos gerados por descargas parciais
nos transformadores de potência, descargas essas ocasionadas em pontos diversos do
transformador.
Desenvolvimento do algorítmico com as ferramentas computacionais para o tratamento
dos dados obtidos pelos sensores.
Analise os resultados obtidos e classificação das falhas para manutenção preventiva ou
corretiva do transformador.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na fase de conclusão do trabalho é esperado que os dados obtidos através de ensaios
nos transformadores, com os sensores piezelétricos, sejam suficientes para aplicação das
ferramentas SVM e OPF para classificação dos transformadores, e que essa aplicação seja uma
137
contribuição para a pesquisa na área de eficiência dos equipamentos de grande valor agregado
do sistema.
5 CONCLUSÕES
O desenvolvimento do trabalho ainda está em fase de levantamento de referências
bibliográficas, sendo necessário maior aprofundamento teórico do mesmo.
Após uma ampla pesquisa e o desenvolvimento de um equipamento, serão realizados
alguns experimentos em transformadores de potência, para que seja avaliado o comportamento
dos sensores piezelétricos na análise de descargas parciais, além de validar o uso de técnicas
inteligentes para localização do fenômeno estudado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CASTRO, B. A. et al. Assessment of Macro Fiber Composite Sensors for Measurement of
Acoustic Partial Discharge Signals in Power Transformers. IEEE Sensors Journal, v. 17, n. 18,
p. 6090–6099, 2017.
EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Plano Nacional de Energia – PNE 2030. Rio de
Janeiro, jun. 2007
FILHO, G. L. XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 2008 - 06
a 10 de outubro Olinda - Pernambuco - Brasil Método de Emissão Acústica na Medição de
Descargas Parciais em Transformadores de Potência : Uma Ferramenta de Mitigação Geraldo
Lupi. p. 1–12, 2008.
GHOSH, R.; CHATTERJEE, B.; DALAI, S. A method for the localization of partial discharge
sources using partial discharge pulse information from acoustic emissions. IEEE Transactions
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GUTNIK, Y. et al. Estudos dos Piezoeletretos como Transdutores Acústicos para Detecção de
Descargas Elétricas em Transformadores. p. 1–6, [s.d.].
PAPER, C. et al. Detecção de descargas parciais em transformadores de potência utilizando
transformada wavelet. n. November 2014, 2008.
ROMUALDO, H. D. P. Identificação , Mensuração e Localização Tridimensional de Descargas
Parciais em Transformadores de Potência com base em Ensaios de Emissão Acústica. p. 1–6,
2014.
ZHANG, W.; CHEN, Q.; ZHAO, H. Numerical Investigation of Acoustic Emissions
Distribution from Partial Discharge in Transformer. v. 0, p. 535–538, 2017.
138
RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO POR
MEIO DA MINIMIZAÇÃO DO GAP DE INTEGRALIDADE
Daisy P. Silva
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Edilaine M. Soler
Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
Neste trabalho, o problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo é modelado como um problema
de programação não linear, não convexo, com variáveis de controle contínuas e discretas. Na
formulação adotada nesta pesquisa, este problema visa minimizar as perdas de potência ativa
nas linhas de transmissão elétrica através do ajuste das variáveis respeitando as restrições físicas
e operacionais do Sistema Elétrico de Potência. Propõe-se uma abordagem heurística de
factibilidade e melhoramento de solução por meio da minimização do gap de integralidade das
variáveis discretas para obter soluções factíveis e melhores a cada iteração até que não seja mais
possível. Testes numéricos com os sistemas elétricos IEEE, referência na área de Engenharia
Elétrica, verificam a eficiência da abordagem proposta.
PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo Reativo, Variáveis de Controle Discretas,
Abordagem Heurística de Factibilidade e Melhoramento de Solução, Minimização do Gap de
Integralidade.
1 INTRODUÇÃO
Para que um sistema realizar trabalho, é necessário que ele possua alguma forma de
energia, como: mecânica, potencial, eletromagnética, química, elétrica, dentre outras. Das
várias formas de energia existentes, a energia elétrica, que é produzida baseada na diferença de
potencial elétrico entre dois pontos, se destaca uma vez que ao se referir a suprimento
energético, a eletricidade demonstrou ser uma das formas mais convenientes de energia, sendo
uma das principais fontes de calor, força e luz na sociedade atual, se tornando imprescindível
para a estratégia do desenvolvimento econômico e social de muitas nações. Visto que a
eletricidade tem papel fundamental na sociedade, os Sistemas Elétricos de Potência (SEP)
possuem, portanto, a responsabilidade por fornecer energia elétrica de maneira ótima, ou seja,
com o menor custo possível, o mínimo de interrupções, de qualidade adequada e assim que
solicitada pelo consumidor (NEPOMUCENO, 1997).
Uma maneira muito eficiente de encontrar o ponto ótimo de funcionamento desses
sistemas é por meio da resolução do problema do Fluxo de Potência Ótimo (FPO). O FPO visa
otimizar um dado desemprenho do SEP sujeito às suas restrições físicas e operacionais.
Neste trabalho, aborda-se o problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPOR) que é um
caso específico do problema de FPO no qual as variáveis relacionadas à potência ativa são
fixadas e as relacionadas à potência reativa são ajustadas para minimizar as perdas de potência
ativa nas linhas de transmissão de energia elétrica.
O objetivo deste trabalho é propor uma abordagem heurística de factibilidade e
melhoramento de solução para o problema de FPOR, tratando as variáveis de controle discretas
de forma realista. A abordagem baseia-se na minimização do gap de integralidade das variáveis
discretas visando obter soluções factíveis e melhores a cada iteração até que não seja mais
possível.
139
2 REVISÃO DA LITERATURA
O problema de FPO foi proposto durante a década de 1960 (CARPENTIER, 1962),
porém na literatura a maioria das abordagens de solução não tratam o problema conforme a
realidade do SEP, devido à dificuldade de solução imposta pelas variáveis discretas do
problema, muitas das abordagens da literatura fixam, relaxam continuamente, ou até mesmo,
desconsideram as variáveis de controle discretas. A experiência indica que arredondar a solução
contínua para os valores discretos mais próximos são aceitáveis para variáveis de controle
discretas com espaçamento regular e pequenos, como é o caso dos taps dos transformadores.
Entretanto, o arredondamento pode não fornecer boas soluções para variáveis discretas com
espaçamento irregular e grande como é o caso das susceptâncias shunt. Além disso, a técnica
de arredondamento pode levar o sistema a pontos de operações subótimos ou até mesmo
infactíveis. O tratamento adequado das variáveis discretas em problemas de FPO tem recebido
significativa atenção desde o final da década de 1980 (TINEEY,1988),
(PAPALEXOPOULOS,1989). Algoritmos de aproximação linear e não linear clássicos da
literatura como Branch-and-Bound e Outer Approximation, entre outros, que visam à resolução
de problemas de programação não linear com variáveis discretas e contínuas, levam muito
tempo computacional para a resolução de problemas de FPO de grande porte.
Assim, devido à importância do problema de FPOR e o grau de dificuldade em obter
boas soluções para este problema quando consideradas as variáveis discretas, torna-se de grande
importância o desenvolvimento de novas abordagens de resolução para este problema.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Neste trabalho, o problema de FPOR é modelado como um problema de programação
não linear, não convexo e com variáveis contínuas e discretas com passos regularmente
espaçadas e irregularmente espaçadas entre si. Para tanto, propõe-se, neste trabalho, inspirados
em Melo, Fampa, Raupp (2012) e em Melo (2012), uma abordagem heurística de factibilidade
que consiste em encontrar soluções factíveis para o problema FPOR e uma heurística de
melhoramento de solução que consiste em melhorar as soluções obtidas a cada iteração até que
não seja mais possível. Utiliza-se a função polinomial proposta em Silva (2016) como medida
para o gap de integralidade das variáveis discretas. Para resolver os problemas contínuos a cada
iteração utiliza-se o método de pontos interiores implementado no solver IPOPT em interface
com software GAMS.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os testes numéricos foram realizados com os sistemas elétricos IEEE, referência na área
de engenharia elétrica. O valor da função objetivo foi menor a cada iteração, entretanto não
necessariamente a solução da última iteração, que possui menor valor para a função objetivo, é
a melhor solução do ponto de vista da confiabilidade do sistema elétrico, uma vez que o perfil
de tensão pode tornar-se mais elevado ao longo do processo iterativo. Assim, cabe ao operador
do sistema de transmissão de energia elétrica analisar e escolher uma das soluções fornecidas
pela abordagem proposta.
5 CONCLUSÕES
O FPO é considerado importante na área de engenharia elétrica e desafiador na área de
otimização e neste trabalho modelado de forma realista tornando-se de difícil resolução. Para
140
tanto, neste trabalho propõe-se uma abordagem heurística de factibilidade e melhoramento de
solução do problema de FPOR baseado na minimização do gap de integralidade das variáveis
discretas. Tais heurísticas obtém soluções factíveis melhores a cada iteração até que não seja
mais possível. Testes numéricos com os sistemas elétricos IEEE foram realizados e verificam
a eficiência da abordagem heurística na solução do problema de FPOR. Futuramente, serão
realizados testes numéricos com sistemas de grande porte para avaliar a eficiência da
abordagem proposta para a resolução do problema de FPOR.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CARPENTIER, J. Contribution a l’etude du dispatching economique. Bulletin de la Societe
Francaise des Electriciens, v. 3, p. 431-447, 1962.
MELO, W. A. X; FAMPA, M. M. C.; RAUPP F. M. P. Uma heurística de minimização de
gap para Programação Não Linear Inteira Mista com variáveis binárias. In: CONGRESO
IBERO-AMERICANO DE INSVESTIGACION OPERATIVA E SIMPÓSIO BRASILEIRO
DE PESQUISA OPERACIONAL, 2012, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: FGV. 2012,
p. 3412-3423.
MELO, W. A. X. Algoritmos para Programação Não Linear Inteira Mista. 2012. 96 f.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Computação) – UFRJ, Rio de Janeiro,
2012.
NEPOMUCENO, L. Modelos de otimização equivalente para minimização de perdas
através de FPO Newton. 2012. 147 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) -
Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 1997.
PAPAPLEXOPOULOS, A. D. Large-scale optimal power flow: effects of initialization,
decoupling and discretization. IEEE Transactions on Power Systems. v. 4, n. 2, p. 748-759,
1989.
SILVA, D.P. Funções Penalidade para o Tratamento das Variáveis Discretas do Problema
de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. 2016. 115 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia
Elétrica) - Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2016.
TINNEY, W. F, Some deficiencies in optimal power flow. IEEE Transactions on Power
Systems, v. 3, n. 2, p. 676-683, 1988.
141
DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR TIPO FONTE Z APLICADO EM KIT
DIDÁTICO PARA ESTUDOS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Felipe Augusto Ferreira de Almeida
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Flávio Alessandro Serrão Gonçalves
Orientador – Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO
Este trabalho consiste no desenvolvimento de conversores do tipo fonte Z com rede de
impedância aplicados em kits didáticos para utilização em práticas de ensino envolvendo
sistemas fotovoltaicos. Abrange desde projeto, simulação dos circuitos até a sua futura
implementação.
PALAVRAS-CHAVE: Energia solar fotovoltaica, kits didáticos, Engenharia Elétrica,
Conversores.
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento sustentável baseia-se fundamentalmente na inovação e
desenvolvimento de tecnologias de conversão e aproveitamento de recursos energéticos
naturais. [1]
O processo fotovoltaico consiste na conversão da energia emitida pelo Sol em energia
elétrica. Entre 2010 e 2016, a capacidade global instalada de sistemas fotovoltaicos cresceu
cerca de 40%, 16% da eólica e 3% da hídrica [2]. O uso da energia fotovoltaica permite a
produção de energia para consumo próprio em edifícios comerciais e residenciais, com geração
distribuída de eletricidade, despachando o excedente produzido para distribuição na rede do
sistema elétrico, contribuindo para a redução de perdas no Sistema Interligado Nacional (SIN).
Com o crescimento da utilização de energia solar fotovoltaica surge a necessidade de
mão de obra especializada, e consequentemente a abertura de novos cursos em escolas técnicas
e de nível superior, tornando indispensável ao aluno o conhecimento dos princípios e métodos
de geração de energia elétrica a partir da energia solar, conhecendo profundamente este tipo de
conversão de energia.
Desta forma, para auxiliar no processo ensino-aprendizagem, são utilizados kits
didáticos para as aulas de práticas em laboratório.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
A energia solar fotovoltaica é a fonte de energia que mais cresce no mundo [3]. Os
sistemas fotovoltaicos de energia elétrica podem ser isolados ou conectados à rede [3]. As
aplicações com sistemas conectados à rede, exigem que seja implementada uma interface entre
a geração em CC do módulo fotovoltaico e a rede CA. Essa interface é denominada conversor
CC-CA ou inversor [4].
Existem diversas topologias de conversores, podendo ser classificadas em duas grandes
classes, isolados e não-isolados [5]. Os conversores isolados utilizam transformadores em sua
topologia, proporcionando isolação elétrica e ganhos de tensão. Em redes de baixa tensão a
isolação galvânica nem sempre é um requerimento, sendo esta uma vantagem em relação ao
custo do conversor. Os inversores com topologia sem transformadores podem ser classificados
142
de acordo com o número de estágios, podendo ser de duplo estágio ou estágio único. Um
inversor do tipo ponte completa pode ser empregado no segundo estágio com o objetivo de
reduzir custos e perdas no chaveamento [6, 7].
Na conversão CC-CA uma das alternativas para superar as limitações existentes nas
topologias de inversores tipo fonte de tensão é a utilização de uma rede de fonte de impedância
(fonte-Z) na conversão de energia. Uma das limitações está relacionada à necessidade da tensão
de entrada do estágio da ponte seja maior que a tensão do barramento da rede, o que exige um
conversor CC-CC elevador de elevado ganho ou um estágio de isolação para realizar essa
elevação. Outra limitação da estrutura convencional é o fato dos interruptores superiores e
inferiores de cada braço da ponte não poderem conduzir simultaneamente, o que causaria
danos aos interruptores. Para evitar esse problema de condução contínua, são adicionados
intervalos de tempo nos sinais de comando das chaves interruptoras, denominado tempo morto,
que provoca distorções nas formas de onda de corrente [8].
A topologia original do tipo fonte Z utiliza uma única rede de impedância formada por
um circuito com indutores L e capacitores C para criar um novo estado operacional denominado
“shoot-through” existente no estado zero, sendo usado para realizar a elevação de tensão de
saída desejada, sem tempo morto e sem causar danos aos interruptores.
Diferentes estratégias de modulação PWM devem ser analisadas para controlar os
inversores empregados com diferentes redes de impedância com utilização de diferentes formas
de aplicação do estado nulo de “shoot-through”, com o objetivo de redução de componentes
empregados, aumento de ganho, aumento de rendimento e preocupação com qualidade de
energia referente à forma de onda da corrente drenada [9]. Por outro lado, essa nova abordagem
passa a ter um sistema onde existe um aumento dos esforços de tensão nos semicondutores.
Uma das vertentes de aplicação do conversor com rede de impedância é na utilização
com módulos fotovoltaicos de baixa potência, e a aplicação em kits didáticos para o ensino de
disciplinas relacionadas à área.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Realização de estudos de comparação das principais topologias de inversores de rede de
impedância e a aplicação destes em sistemas com módulos fotovoltaicos. Análise das diferentes
técnicas de modulação aplicadas e modificadas, bem como das estratégias de busca do MPPT,
através de simulações computacionais, desenvolvimento de protótipos tanto do sistema de
controle como do sistema de potência.
O kit possuirá as seguintes funcionalidades:
Técnicas de rastreamento solar, usando tanto localizadores físicos como por
algoritmos de software;
Ajuste de conversor para rastreador de ponto de máxima potência (MPPT –
Maximum Power Point Tracking) usando as principais técnicas (Tensão
Constante; Perturbação e Observação; Condutância incremental; Hill Clibing);
Monitoramento de grandezas do sistema (potência dos módulos fotovoltaicos,
tensão, corrente, curva I-V, temperatura);
IHM para interface de monitoramento;
Sistema de supervisão.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Obtenção de uma metodologia consistente para o projeto dos elementos que compõe o
conversor, levando a construção de um conversor que apresente características vantajosas para
143
aplicação em sistemas de geração baseado em painéis fotovoltaicos e em kits didáticos.
Definição da modelagem do sistema.
Definição da metodologia para o projeto do sistema de controle.
Definição de funções de transferência do conversor.
Testes de diferentes estratégias de MPPT para verificar quais se adequam às situações
propostas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] E. B. Pereira; F. R. Martins, A. R. Gonçalves, R. S. Costa, F. J. L. de Lima, R. Rüther,
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2.ed. ‐‐ São José dos Campos : INPE, 2017. 88p.: il. (E‐BOOK)
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Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas. São Paulo, 2015
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vol. 19, no. 5, pp. 1305-1314, 2004.
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[8] F. Z. Peng, "Z-source inverter", IEEE Trans. Ind. Appl. , vol. 39, no. 2, pp. 504-510, 2003.
[9] Y. P. Siwakoti, F. Z. Peng, F. Blaabjerg, P. C. Loh, G. E. Town and S. Yang,
"ImpedanceSource Networks for Electric Power Conversion Part II: Review of Control and
Modulation Techniques," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 1887-
1906, April 2015.
144
INVESTIGAÇÃO DO MÉTODO DE PONTO INTERIOR E PENALIDADE E
PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM VARIÁVEIS DISCRETAS
Jéssica A. Delgado
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Profª. Drª. Edméa Cássia Baptista
Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
O Fluxo de Potência Ótimo Reativo é um problema de otimização restrito, não linear, não
convexo, com variáveis contínuas e discretas e de grande porte que busca o melhor ponto de
operação de um sistema elétrico. Neste trabalho é proposto uma nova abordagem que utiliza o
método de Ponto Interior e Penalidade para a resolução do problema de Fluxo de Potência
Ótimo Reativo com variáveis de controle discretas. Para tratamento das variáveis discretas será
utilizada uma estratégia que transforma o problema discreto em um problema contínuo
utilizando uma função penalidade que obriga as variáveis assumirem valores discretos
PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo; Método de Ponto Interior; Método
Penalidade.
1 INTRODUÇÃO
O problema Fluxo de Potência Ótimo (FPO) é representado matematicamente como um
problema de otimização não linear, restrito, não convexo e de grande porte, com variáveis
contínuas ou discretas. Ele otimiza uma determinada função objetivo, a qual satisfaz algum
desempenho do sistema, e satisfaz as restrições de igualdade - equações de fluxo de potência -
e as de desigualdade - restrições físicas e operacionais do sistema. Neste trabalho exploramos
três métodos: o dual-Lagrangiano, o de Ponto Interior e o de Penalidade para resolução do FPO.
O método dual-Lagrangiano foi desenvolvido para resolver problemas convexos. Sua
estratégia é a de associar ao problema uma função auxiliar, que incorpora as restrições de
igualdade à função objetivo, utilizando os multiplicadores de Lagrange.
Os métodos de Penalidade são uma importante classe de métodos para a obtenção da
solução de problemas de otimização restritos. O método utiliza uma função penalidade que
transforma um problema restrito num problema irrestrito e resolve uma sequência destes. As
restrições são adicionadas à função objetivo através de um parâmetro de penalidade de modo a
penalizar qualquer violação das restrições.
O Método de Ponto Interior (MPI) surgiu no trabalho de (KARMARKAR,1984). Esse
tipo de método já havia sido proposto em (FRISCH, 1955) e (FIACCO, 1968), com o nome de
função barreira, porém devido à problemas de mau condicionamento da matriz Hessiana
passaram a não serem utilizados. Isso se modificou após o trabalho de Karmarkar. No início da
década de 90, o autor (GRANVILLE, 1994) foi o primeiro a utilizar um método da classe dos
MPIs, denominado de primal-dual barreira logarítmica (PDBL), na resolução do FPO. As
vantagens do PDBL é a facilidade de tratar as restrições de desigualdade pela função barreira
logarítmica, a sua velocidade de convergência e o fato que o ponto inicial não necessita ser
estritamente interior. Porém, apresenta desvantagens tais como: a sensibilidade ao parâmetro
de barreira, em alguns casos o método pode divergir e a necessidade da garantia das folgas
serem não negativas em todo o processo iterativo.
Na maioria das abordagens propostas na literatura para a resolução do FPO, os controles
145
discretos são modelados como variáveis contínuas, porém estas formulações estão longe da
realidade de um sistema elétrico de potência, pois alguns controles podem ser somente
ajustados por passos discretos (SOLER; ASADA; DA COSTA, 2013). Assim, uma abordagem
para tratar as variáveis discretas é tratá-las como contínuas e penalizar a função objetivo quando
estas variáveis assumem valores não discretos.
Assim tendo em vista a importância do FPO e a busca por métodos mais eficientes e
robustos de solução é a proposta, neste projeto, o desenvolvimento de um novo método neste
trabalho.
2 METODOLOGIA
A metodologia proposta neste projeto consiste em resolver um problema não linear
(PNL) contínuo, cuja solução é equivalente ao problema não linear contínuo e discreto. Esse
problema é obtido incorporando na função objetivo do problema original uma função que
penaliza a função objetivo quando as variáveis discretas assumem valores não discretos. A
solução do PNL é determinada pelo método de Pontos Interiores e Penalidade.
3 CONCLUSÕES
Pretende-se aplicar esta união de métodos na resolução do FPO com variáveis de
controle discretas de maiores dimensões e obter uma abordagem eficiente tanto para resolver o
FPO, quanto outros problemas de otimização não linear.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CARPENTIER, J. Contribution to the economic dispatch problem. Bulletin de la
Societe Francoise des Electriciens, v. 3, n. 8, p. 431–447, May 1962.
CURTIS, F. E. A penalty-interior-point algorithm for nonlinear constrained
optimization. Mathematical Programming Computation, v. 4, n. 2, p. 181–209, June. 2012.
FIACCO, G., AV &.McCormick. Nonlinear programming: SUMT. [s.l.] Wiley, New
York, 1968.
FRISCH, K. The logarithmic potential method of convex programming.
Memorandum, University Institute of Economics, Oslo, v. 5, n. 6, 1955.
GRANVILLE, S. Optimal reactive dispatch through interior point methods. Power
Systems, IEEE Transactions on, v. 9, n. 1, p. 136–146, February 1994.
KARMARKAR, N. A new polynomial-time algorithm for linear programming.
Proceedings of the sixteenth annual ACM symposium on Theory of computing. Anais...ACM,
November 1984.
SOLER, E. M.; ASADA, E. N.; DA COSTA, G. R. Penalty-based nonlinear solver for
optimal reactive power dispatch with discrete controls. Power Systems, IEEE Transactions
on, v. 28, n. 3, p. 2174–2182, August. 2013.
146
MODELOS DE OTIMIZAÇÃO PARA PLANTIO E COLHEITA DE CANA-DE-
AÇÚCAR E CANA-ENERGIA CONSIDERANDO-SE GRAUS-DIA
Gilmar Tolentino
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Antônio Roberto Balbo
Orientador – Depto. de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
O foco deste trabalho é investigar modelos de otimização matemática para o planejamento do
plantio e colheita de cana-de-açúcar e cana-energia, que maximizem, respectivamente, a
produção de açúcar e etanol, bem como a produção de energia das usinas sucroenergéticas.
Objetiva-se a maximização da produção da usina considerando-se a produtividade de sacarose
das variedades plantadas de cana-de-açúcar e a produtividade de massa seca e fibra da cana-
energia. Além destes fatores, será considerado o estudo dos graus-dia da região de plantio,
visando o ápice de produtividade de sacarose da cana-de-açúcar, bem como a melhor produção
de fibra para a cana-energia, respectivamente, no período da sua colheita. Para resolução destes
modelos serão investigados métodos determinísticos e heurísticos, os quais serão
implementados em linguagem de programação MatLab. Considera-se ainda para a resolução
destes modelos, explorar o software CpLex inserido no Solver-Gams a fim de comparação de
resultados.
PALAVRAS-CHAVE: Otimização, cana-de-açúcar, cana-energia, modelos
1 INTRODUÇÃO
Baseando se em Tolentino (2007), Lima (2013), Florentino e Pato (2014), Ramos
(2014), Isler (2016), Souza (2017) e Caversan (2017), este trabalho visa a investigação de
modelos que escolha a variedade de cana-de-açúcar que deve ser plantada e colhida nos talhões,
levando em consideração a sua produtividade, de forma a maximizar a produção de sacarose e
energia, minimizando o custo de produção destas variedades. O estudo é estendido para o
plantio e colheita da cana-energia, de tal forma a inseri-la nos modelos, levando-se em
consideração a otimização da sua produtividade em matéria seca para a geração de energia
térmica. Os modelos investigados devem considerar a incidência de Graus-Dia para a
determinar o melhor período da colheita da cana-de-açúcar e cana-enerigia. Estes problemas de
decisão, em geral são problemas de programação inteira com grande número de variáveis e
restrições é de difícil resolução, e neste caso, procedimentos híbridos que exploram métodos
determinísticos e heurísticos poderão ser investigados para resolução, embasados em Goldberg
(1989) e Balbo et al. (2012), bem como explorar a programação inteira 0-1 e genéticos, o
método branch-and-bound ou branch-and-cut, visto em Bazaraa e Shetty (1979) entre outros.
Para implementação deste modelo matemático será usada a linguagem de programação MatLab
e o software CpLex inserido no Solver-Gams a fim de comparação de resultados.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Neste trabalho é dada ampla ênfase a elaboração de modelos de otimização a partir de
problemas reais no setor sucroalcooleiro. Para a busca de solução dos modelos existentes,
podem ser utilizados métodos que exploram a teoria de otimização, tal como, o método
147
Simplex, desenvolvido em Dantzig (1963). Tem-se também a possibilidade de se utilizar
métodos inseridos em uma nova metodologia, denominados Métodos de Pontos Interiores,
desenvolvidos a partir do trabalho pioneiro de Karmarkar (1984), denominado de algoritmo de
transformação projetiva. Estes modelos matemáticos, em geral são problemas de programação
inteira com grande número de variáveis e restrições é de difícil resolução, e neste caso,
procedimentos híbridos que exploram métodos determinísticos e heurísticos podem ser
investigados para resolução.
Tolentino (2007) apresentou dois modelos decidindo quais variedades de cana-de-
açúcar devem ser plantadas nos talhões disponíveis que produzam massa seca que minimizam
o custo operacional de colheita e maximizem o balanço de energia no aproveitamento destes
resíduos. Florentino e Pato (2014), apresentam um modelo multiobjetivo que consiste em
minimizar o custo de transporte da biomassa residual do campo para centro de processamento
e maximizar o balanço de energia, simultaneamente. Souza (2017) e Caversan (2017)
investigaram modelos que escolhem variedades de cana-de-açúcar que devem ser plantadas e
colhidas nos talhões, levando em consideração a produtividade, de forma a maximizar a
produção total de sacarose ao longo de quatro cortes. O modelo de Caversan (2017) investiga
também o plantio e colheita da cana-energia, levando-se em consideração a otimização da sua
produtividade em matéria seca para a geração de energia térmica.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Baseado em Souza (2017), Ramos (2014), Isler (2016) e Caversan (2017), propõe-se
um modelo multiobjetivo minimizando o custo operacional de plantio e colheita da cana e
maximizando a produção da usina, envolvendo cana-de-açúcar e cana-energia. Nesta
modelagem considera duas tomadas de decisão: a primeira consiste em determinar, para cada
talhão, qual variedade de cana-de-açúcar ou cana-energia e em que período deve ser plantada.
A segunda decisão é determinar qual o período de colheita da variedade plantada em cada
talhão, de acordo com a produtividade de sacarose da cana-de-açúcar e a produtividade de
massa seca da cana-energia, que são diferentes. Para decisão da colheita, também será
considerado o Graus-Dia da região de plantio da cana-de-açúcar ou cana-energia.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Caversan (2017) testou computacionalmente o modelo matemático em vinte variedades
de cana-de-açúcar e cinco variedades de cana-energia usando a implementação proposta no
trabalho de Souza (2017), adaptada para receber as novas informações referentes às variedades
do tipo cana-energia, obtendo excelentes resultados e mostrando a eficiência do planejamento
otimizado no plantio e colheita destas modalidades de cana.
A proposta deste trabalho é modelar um problema multiobjetivo envolvendo o custo
operacional de plantio e colheita da cana-de-açúcar e cana-energia de tal forma a minimizar o
custo operacional e maximizar a produção da úsina, considerando o Graus-Dia na colheita.
5 CONCLUSÃO
Este trabalho propõe um modelo multiobjetivo que busca maximizar a produção da
usina e minimizar o custo operacional de plantio e colheita da cana-de-açúcar e cana energia,
definindo a variedade que deverá ser plantada em cada talhão disposto para cada cultura. A
simulação computacional no modelo de Caversan (2017) monstra que o modelo é válido na
escolha das variedades tanto de cana-de-açúcar quanto de cana-energia a serem plantadas em
148
seus respectivos talhões e é viável computacionalmente. Também mostra eficiência no
planejamento otimizado de plantio e colheita a fim de atender as demandas mensais de
produção da usina. Espera-se que com a conversão do modelo para multiobjetivo e a introdução
da função Graus-Dia, seja possível definir com mais detalhes as variedades de cana-de-açúcar
e cana-energia que devem ser escolhidas para satisfazer toda a produção da usina levando-se
em consideração as condições climáticas na região de plantio.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BALBO, A. R., SOUZA, M. A. S., BAPTISTA, E. C. e NEPOMUCENO, L. (2012). A predictor
corrector primal-dual interior-point method for solving the multi-objective environmental economic
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BAZARAA, M. S. e SHETTY, C. M., Nonlinear Programming: Theory and Algorithms. John-Willey
& Sons, Inc., 1979.
CAVERSAN, A.S. Modelo matemático para planejamento do plantio e colheita da cana-de-açúcar
e da cana-energia. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia, Universidade
Estadual Paulista, Bauru, 2017.
DANTZIG, G. B. Linear Programming and Extensions Princeton, NJ: Princeton University Press,
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FLORENTINO, H. O; PATO, M. V., A Bi-Objective Genetic Approach for the Selection of
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Operational Research Society, Vol. 65, Issue 6, pp. 842-854, 2014.
GOLDBERG, D. E. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning. Reading,
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ISLER, P. R. Planejamento ótimo de plantio e colheita da cana-de-açúcar utilizando graus-dias.
2016. vii, 125 f. Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas de
Botucatu, Botucatu – SP, 2016.
KARMARKAR, N., A new polynomial time algorithm for linear programming. Combinatoria 4,
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LIMA, C. Métodos híbridos de pontos interiores e de programação inteira 0-1 para problemas de
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Bauru, 2013.
RAMOS, R. P. Planejamento do plantio e da colheita de cana-de-açúcar utilizando técnicas
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Botucatu – Universidade Estadual Paulista, Botucatu, 2014.
SOUZA, M. L. P. S. Planejamento otimizado do plantio e colheita da cana-de-açúcar para a
maximização da produção de sacarose considerando uma demanda mensal da usina. Dissertação de Mestrado
em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2017.
TOLENTINO, G. Programação linear inteira aplicada ao aproveitamento do palhiço da cana-de-
açúcar. Dissertação de Mestrado, Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, Botucatu,
SP, 2007.
149
ESTUDOS E PLANEJAMENTO ESTRATÉGICO PARA PRECIFICAÇÃO DO
CUSTO DA ENERGIA EM DIVERSOS CENÁRIOS NO SETOR DE ENERGIA
BRASILEIRO
Alexander S. Maranho
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. André Nunes de Souza
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Em muitos países em todo o mundo, a eletricidade é agora negociada sob regras do mercado
usando local e contratos de derivativos. No entanto, a eletricidade é uma mercadoria muito
especial. É economicamente não armazenável, e a estabilidade do sistema de alimentação
requer um equilíbrio constante entre a produção e consumo. Ao mesmo tempo, a demanda
eletricidade depende das condições meteorológicas. Uma variedade de métodos e ideias têm
sido tentadas para previsão de preço da eletricidade (EPF) básicas de preços de eletricidade e
previsão (formação de preço), escrita em um módulo de previsão de preços com base em redes
neurais. Assim, a necessidade de construir metodologias e procedimentos para prever
necessidades de eletricidade tornou-se proeminente e uma questão importante. Com base nas
metodologias e quadro construídos, é possível definir quais ações devem ser tomadas para
cumprir a eletricidade exigida pela sociedade.
PALAVRAS-CHAVE: Previsão de demanda de Energia, Preço de Energia, Previsão a longo
e médio prazo.
1 INTRODUÇÃO
Planejamento e gestão de energia sempre representou um grande desafio para a maioria
dos países em todo o mundo. Desde o início da Revolução Industrial, um dos principais gargalos
para crescimento da economia foi a disponibilidade de energia, não apenas devido à falta de
eletricidade, mas também à escassez de outros recursos energéticos. Uma variedade de métodos
e ideias têm sido tentadas para previsão de preço da eletricidade (EPF) ao longo dos últimos 15
anos, com variados graus de sucesso.
No entanto, a eletricidade é uma mercadoria muito especial. É economicamente não
armazenável, e a estabilidade do sistema de alimentação requer um equilíbrio constante entre a
produção e consumo. Ao mesmo tempo, a demanda eletricidade depende das condições
meteorológicas (temperatura, velocidade do vento, precipitação, etc.) e a intensidade dos
negócios e atividades cotidianas (no pico vs. horas de pico, durante a semana vs. fins de semana
e feriados e perto.
O trabalho está no momento de uma grande revisão em regiões onde o estudo é
desenvolvido, as variáveis consideradas, frequência dos dados utilizados, horizonte de previsão
e métricas usadas para avaliação de resultados e modelos de desempenho representa parte da
informação que a sistemática revisão pretende se concentrar em uma análise mais aprofundada
e destacar algumas tendências recentes.
O objetivo deste trabalho é desenvolver modelos computacionais quanto ao uso de
ferramentas para previsão do preço de Energia no setor energético do Brasil. Os modelos
pesquisados e os mais estudados são os estatísticos seguidos pelos métodos de inteligência
computacional.
150
Como estudo na revisão da literatura, há definitivamente potencial utilizando a
modelagem computacional. Com o aumento do poder das redes neurais e da Inteligência
Artificial, a calibração em tempo real destes modelos complexos se tornará viável, aos que
esperamos ver mais aplicações EPF nos próximos anos.
2 METODOLOGIA
O trabalho está em fase de investigação científica, através do levantamento do estado
da arte sobre estudos relacionados a previsão de preços a médio e longo prazo na demanda de
energia no planejamento energético nacional.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
WANG, G. GROZEV E S. SEO. Previsão de carga de energia de meia-longa baseado em cinza
previsão e apoio máquina de vetor dinâmico. Energia 2012; 41: 313-325.
BIANCO, O. MANCA, E S. NARDINI. Previsão de consumo de eletricidade na Itália,
utilizando modelos de regressão linear. Energia 2009; 34:1413-1421,
L. GHODS; M. KALANTAR. Diferentes métodos de previsão de demanda de carga elétrica de
longo prazo; uma revisão abrangente. Jornal iraniano de Engenharia Elétrica e Eletrônica 2011;
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AMT THOMÉ, LF SCAVARDA, NS FERNANDEZ, E AJ SCAVARDA. Vendas e operações
de planejamento: Uma síntese de pesquisa. Int. Jornal Economics Production 2012; 138: 1-13.
R. WERON. Eletricidade previsão de preços: Uma revisão do estado da arte, com um olhar
para o futuro. International Journal of Forecasting 2014; 30: 1030-1081.
151
SISTEMAS DE RECOMENDAÇÃO EM SMART HOME COM FOCO EM
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Rodrigo Moura Juvenil Ayres
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. André Nunes de Sousa
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Através da adição de componentes de sensoriamento, comunicação e acionamento, dispositivos
e eletrodomésticos tornam-se cada vez mais "inteligentes" para que possam se comunicar uns
com os outros, transmitir dados aos usuários finais e facilitar a operação e automação remotas,
por exemplo, durante períodos de pico de demanda. Um dos principais benefícios das técnicas
inteligentes é o potencial para suportar reduções de energia e gerenciamento do lado da
demanda. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo propor uma arquitetura de
sistema para recomendar sugestões aos moradores de casas inteligentes, visando redução de
custos e eficiência energética. O trabalho inclui a implementação de um serviço web de
mineração RESTFul, que é usado na mineração de dados, classificando os dados sobre o
sistema de recomendação proposto. Por meio da transmissão do modelo de dados JSON, dados
são convertidos automaticamente em estruturas de Instâncias JSON e processados algoritmos
de mineração de dados.
PALAVRAS-CHAVE: Smart Home, Sistemas de Recomendação, Eficiência energética.
1 INTRODUÇÃO
Os altos custos de energia elétrica e as preocupações ambientais são pontos chaves que
levam os países a investir cada vez mais em energia renovável, motivam a utilização de
equipamentos residenciais com melhores classificações de consumo e incentivam hábitos que
estejam alinhados ao consumo eficiente de energia no dia a dia. Isso porque o setor residencial
possui grande impacto sobre o consumo total de energia elétrica no brasil e no mundo. Em
2017, o setor foi responsável por aproximadamente 28% do consumo total de energia elétrica
do país, perdendo apenas para o setor industrial EPE (2017). Este montante justifica a aplicação
de estratégias que incentivem a busca por melhores padrões de eficiência energética. Em outras
regiões do mundo o percentual mante-se semelhante, na Europa, por exemplo, o setor
residencial é responsável por cerca de 25% do consumo total de eletricidade Agency (2018).
Mesmo o setor industrial possuindo um percentual de consumo maior do que o
residencial, tradicionalmente este setor já preza pela eficiência de seus processos como um todo,
visto que desperdícios durante qualquer uma das etapas irá influenciar diretamente no valor do
produto e consequentemente, na competitividade de seu produto no mercado. Desta maneira,
abordagens que visam o consumidor residencial devem levar a maiores economias.
De acordo com Harper (2003), é de extrema importância que a tecnologia seja utilizada
pelas famílias como ferramenta de auxilio em seus esforços para o consumo consciente e
sustentável de energia elétrica. Um indicador bastante evidente sobre isso são as casas
inteligentes, ou Smart Homes, que trazem as mais variadas capacidades ao toque do usuário,
como poder verificar o ambiente de sua residência remotamente ou mesmo poder ligar sua
cafeteira em casa, assim que sair do serviço. Elas estão diretamente relacionadas com o termo
152
conectividade, pois são empregadas técnicas computacionais que possibilitam a
intercomunicação direta ou remota entre os mais diversos dispositivos do meio em questão.
Uma smart home pode ser definida como uma rede de comunicação incorporada a
residência que conecta aparelhos elétricos e serviços. De forma mais detalhada, é uma
residência que possui aparelhos, iluminação, aquecimento, ar condicionado, TVs,
computadores, sistemas de áudio e vídeo e outros componentes capazes de se comunicar uns
com os outros, podendo, inclusive, serem controlados remotamente. Além de conforto e
segurança, smart home pode proporcionar, também, a eficiência energética. Dentro deste
contexto, este trabalho tem como objetivo a exploração de sistemas inteligentes aplicados ao
contexto de smart home. O objetivo específico do trabalho é a implementação de um sistema
que seja capaz de avaliar dados de consumo energético provenientes de diferentes residenciais
e sugerir possíveis melhores configurações de utilização para diferentes perfis de usuário,
visando melhorias em termos de consumo energético. A Figura 1 ilustra a arquitetura da
proposta.
Figure 1 – Arquitetura do Sistema Proposto.
2 REVISÃO DA LITERATURA
De acordo com King (2003) o conceito de casas inteligentes foi desenvolvido desde a
década de 1990. De acordo com definições mais recentes, uma casa que é inteligente o
suficiente para ajudar os habitantes a viver de forma independente e confortavelmente com a
ajuda da tecnologia é denominada casa inteligente. Em uma casa inteligente, todos os
dispositivos mecânicos e digitais estão interligados para formar uma rede, que pode se
comunicar entre si e com o usuário para criar um espaço interativo. Harper (2003) define a casa
inteligente como um aplicativo que é capaz de automatizar ou auxiliar os usuários de diferentes
formas.
Dentro deste contexto, sistemas de recomendação aplicam técnicas de análise de dados
com intuito de auxiliar usuários a encontrar aquilo que deseja. Na mesma linha, filtros
colaborativos constituem-se uma técnica que busca similaridades em hábitos dos usuários para
predizer suas decisões futuras. Schweizer (2014), por exemplo, discute como os padrões de uso
e as preferências dos habitantes podem ser aprendidos eficientemente para permitir que as casas
inteligentes obtenham economias de energia de forma autônoma. Os autores propõem um
algoritmo de mineração de padrão sequencial adequado para dados de eventos residenciais da
153
vida real. O desempenho do algoritmo proposto é comparado aos algoritmos existentes quanto
à completude / exatidão dos resultados, tempos de execução, bem como consumo de memória
e elabora as deficiências das diferentes soluções. Além disso, um sistema de recomendação
baseado no algoritmo desenvolvido fornece recomendações aos usuários para reduzir seu
consumo de energia.
3 MATERIAL E MÉTODOS
O trabalho vem sendo desenvolvido no laboratório de sistemas de potência e técnicas
inteligentes do departamento de engenharia elétrica da Unesp Bauru. O laboratório conta com
computadores e softwares específicos da área.
O desenvolvimento do trabalho está subdividido em quatro etapas principais:
Levantamento bibliográfico e estado da arte.
Modelagem e simulação dos dados de consumo elétrico em smart home.
Especificação da arquitetura do sistema proposto e implementação do mesmo.
Validação dos resultados e escrita da tese.
4 CONCLUSÕES
O trabalho encontra-se em fase de desenvolvimento. Até o momento foram realizadas
as atividades de levantamento bibliográfico e implementações iniciais do sistema proposto. Os
experimentos iniciais estão sendo desenvolvidos com dados do próprio grupo de pesquisa,
provenientes de trabalhos anteriores. Como trabalhos futuros serão realizadas simulações de
geração de dados utilizando o Simulink e a validação dos dados simulados com os resultados
obtidos de tomadas inteligentes a serem implementadas.
REFERÊNCIAS
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EPE, E. DE P. E. Anuário Estatístico de Energia Elétrica 2017. 2017.
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of Business, University of Applied Sciences and Nortwestern Switzerland, 2014.
154
ABORDAGENS DE SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA
ÓTIMO REATIVO COM VARIÁVEIS DISCRETAS E LIMITE
NO NÚMERO DE CONTROLES
Marielena F. Tófoli
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
Propõe-se uma nova abordagem de solução para o problema de fluxo de potencia ótimo reativo
com variáveis discretas e restrições de operação associadas à geração. As restrições de operação
associadas a geração inseridas no modelo do problema abordado têm o objetivo de restringir de
forma eficiente a atuação dos geradores no sistema de potência. Estes geradores necessitam ser
ajustados de modo que seja possível reduzir o número de controle para o operador do sistema.
A proposta é reduzir estes controles e/ou até mesmo estabelecer uma quantidade desejada de
controle destes geradores. Com um estudo detalhado dos controles no sistema de energia
espera-se um resultado de otimização nas decisões do operador do sistema. O problema de
Fluxo de Potência Ótimo Reativo com variáveis discretas e restrições de operação associadas à
geração é formulado como um problema de programação matemática com restrições de
igualdade, desigualdade e equilíbrio (complementariedade). Tais restrições de equilíbrio
inseridas no problema trazem desafios na solução do problema, de modo que novas abordagens
de solução sejam exploradas. Espera-se destas novas abordagens de solução uma otimização
dos controles para o operador do sistema, levando em consideração a viabilização prática do
sistema de energia.
PALAVRAS-CHAVE: Fluxo de Potência Ótimo Reativo, Restrição de Equilíbrio;
Complementariedade; Geração.
1 INTRODUÇÃO
O problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo (FPOR) tem com objetivo otimizar
um critério associado a potência reativa do sistema elétrico levando em conta seus limites
físicos e operacionais. O propósito do problema de FPOR é determinar o melhor ponto de
operação do sistema elétrico através de uma função objetivo e um conjunto de restrições. Este
problema é geralmente utilizado como uma ferramenta para o planejamento e determinação da
operação dos sistemas elétricos de potência.
O objetivo deste trabalho é propor uma nova abordagem de solução para o problema de
fluxo de potência ótimo reativo com variáveis discretas e restrições de operação associadas à
geração de modo a reduzir ou estabelecer o número de controle associado à geração do sistema,
visando otimizar a quantidade de decisões de controle do operador do sistema. A motivação
surgiu através das deficiências apresentadas no problema de fluxo de potência ótimo reativo,
onde, por muitas vezes, sua solução fica dificultada devido a grande quantidade de controles
que é manipulada em sua solução. Deste modo, o projeto visa focar na operação do sistema,
inserindo novas restrições que representam os controles com o objetivo de criar uma ferramenta
de auxílio para o operador do sistema de energia elétrica. A abordagem proposta será
implementada no software MATLAB (Matrix Laboratory).
155
2 METODOLOGIA
O FPOR é formulado matematicamente como um problema de otimização não linear
com restrições de desigualdade/igualdade e com variáveis discretas e contínuas. O problema de
FPOR sujeito a determinadas circunstâncias como, por exemplo, o comportamento da operação
associada à geração, é modelado de acordo com regras de operação, as quais irão determinar
quando os controles devem ou não devem ser alterados. Com as restrições de equilíbrio
inseridas no problema de FPOR, algumas qualificações de restrições usuais não se mantêm em
nenhum ponto viável, assim, este projeto estuda outros conceitos como Clark, Mordukhovich
e condições de estacionariedade forte (as quais são especialmente definidas para problemas
matemáticos com restrições de equilíbrio). Estes novos conceitos tem como objetivo garantir
um ponto viável do problema, já que em algumas situações, condições conhecidas como, por
exemplo, Karush-Kuhn-Tucker (KKT), perdem seu significado de garantia. O problema
matemático com restrições de equilíbrio (MPEC) é um problema de otimização restrita, em que
as restrições essenciais são definidas por algumas desigualdades variacionais paramétricas ou
sistemas de complementaridade paramétrica.
Um problema de MPEC:
min ( )
. : ( ) 0
( ) 0
0 ( ) ( ) 0
f x
s a g x
h x
G x H x
onde: : , : , :n n p n qf g h e , : n mG H são todas duas vezes
diferenciáveis, enquanto que significa que a é perpendicular a b.
A solução de um MPEC é dificultada devido a qualificação das restrições, assim,
surgindo a necessidade de novas condições de otimalidade necessárias e suficientes,
qualificações de restrições, análise de estabilidade e sensibilidade. Estas novas condições serão
estudadas e aplicadas ao problema de FPOR com tais restrições de equilíbrio proposto.
Portanto, como um problema de FPOR é um problema de otimização não-linear, este
projeto tem o foco em estudar novas condições tipo KKT para o MPEC que será proposto por
meio do problema de FPOR.
3 CONSIDERAÇÕES FINAIS
As restrições de operação (ou de equilíbrio) que são associadas a geração do problema
de FPOR, considerando-o assim como um problema de FPOR com restrições de
complementariedade, tem relação com a redução de número de ações de controle efetivamente
implementadas no sistema. Espera-se com a pesquisa abordada encontrar soluções para tais
situações em que os métodos tradicionais, como os que utilizam o conceito de estacionariedade
forte (KKT), por exemplo, não encontram. Com um estudo detalhado dos controles do sistema
espera-se um resultado de otimização nas decisões do operador do sistema, levando em
consideração a viabilização prática do sistema de energia.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SOLER, E.; ASADA, E. and DA COSTA, G. Penalty-Based Nonlinear Solver for Optimal
Reactive Power Dispatch With Discrete Controls. IEEE Transactions on Power Systems. v.
28, n.3, p. 2174-2182, August 2013.
156
GABRIEL S. A., CONEJO A. J., FULLER J. D., HOBBS B. F. and RUIZ C. Complementarity
Modeling in Energy Markets. Springer. Vol. 180, 2013.
GUO L., LIN G., YE J. Solving Mathematical Programs with Equilibrium Constraints. J Optim
Theory Appl. V. 116, p. 234-256, Janeiro 2015.
157
APLICAÇÃO DE UMA FUNÇÃO PENALIDADE
POLINOMIAL TRIGONOMÉTRICA NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE
FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO REATIVO
Camila Mara Nardello Mazal
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Edméa Cássia Baptista
Orientador – Depto de Matemática – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Leonardo Nepomuceno
Coorientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO
O objetivo deste trabalho é propor uma abordagem para resolução do problema de Fluxo de
Potência Ótimo Reativo que considera a natureza discreta das variáveis do problema. Desta
forma, será utilizada uma função penalidade para tratar as variáveis discretas, a qual transforma
o problema discreto em uma sequência de problemas contínuos, e o método primal-dual barreira
logarítmica para resolver esses problemas. Esta Função Penalidade será obtida por meio do
resultado da interpolação trigonométrica dos pontos que correspondem aos valores discretos
dos taps dos transformadores. Testes numéricos serão realizados com os Sistemas Elétricos de
Potência do IEEE, o solver KNITRO em interface com o software GAMS e a função penalidade
desenvolvida.
PALAVRAS-CHAVE: Método primal-dual barreira logarítmica; função penalidade; Fluxo de
Potência Ótimo.
1 INTRODUÇÃO
O problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) é representado matematicamente por
um problema de otimização não linear, restrito, não convexo, de grande porte e com variáveis
de controle contínuas e discretas. Ele determina o melhor ponto de operação de um sistema
elétrico de potência e satisfaz as restrições operativas. Um caso particular do problema de FPO,
é o Fluxo de Potência Ótimo Reativo (FPOR), em que as variáveis relacionadas à potência ativa
são fixadas e a otimização somente considera as variáveis relacionadas à potência reativa, o
qual será abordado neste trabalho.
Muitos métodos já foram utilizados para resolução do problema de FPOR, entre eles,
damos destaque ao método primal-dual barreira logarítmica (PDBL) utilizado nos trabalhos de
(GRANVILLE, 1994), (WU et al, 1994) e (TORRES & QUINTANA, 1998).
Muitos métodos utilizados na resolução do FPOR desconsideram a natureza discreta das
variáveis de controle, sendo que, algumas variáveis, em um sistema elétrico real só podem ser
ajustadas por passos discretos.
Neste trabalho, o objetivo é propor uma abordagem para resolução do problema FPOR
que considera a natureza discreta das variáveis do problema. Desta forma, será utilizada uma
função penalidade para tratar as variáveis discretas, a qual transforma o problema discreto em
uma sequência de problemas contínuos, e o método primal-dual barreira logarítmica para
resolver esses problemas. Esta função penalidade será obtida por meio da interpolação
trigonométrica dos pontos que correspondem aos valores discretos dos taps dos
transformadores.
158
Testes numéricos serão realizados com os Sistemas Elétricos de Potência do IEEE, o
solver KNITRO em interface com software GAMS – General Algebric Modeling System
(www.gams.com) e a função penalidade desenvolvida, a fim de analisar a eficiência da
abordagem proposta.
2 REVISÃO DA LITERATURA
O problema de FPO foi proposto no início da década de 60, por Carpentier (1962). Em
seu modelo Carpentier propôs a incorporação das equações de fluxo de potência ao problema
de Despacho Econômico, com o intuito de encontrar o ponto ótimo de operação para um sistema
elétrico de potência.
Após a formulação matemática do FPO por Carpentier, inúmeros trabalhos com novas
técnicas de otimização e/ou com mudanças na modelagem deste problema foram publicados na
literatura especializada. As técnicas de otimização, diferem entre si, basicamente pela trajetória
do processo de otimização e as variações na modelagem do problema, incluem o uso de outros
tipos de funções objetivo e de outras restrições.
Dentre esses trabalhos damos destaque a alguns que abordam as variáveis discretas do
problema de FPOR como: Soler (2011) que apresentou um tratamento eficiente para as
variáveis discretas utilizando uma função de penalidade senoidal na resolução do FPOR, Silva
(2016) que apresentou uma função penalidade obtida através de interpolação polinomial e
aplicou-a na resolução do FPOR e Tófoli (2017) que utilizou a função senoidal apresentada em
Soler (2011).
3 MATERIAL E MÉTODOS
O problema de FPOR pode ser representado matematicamente por:
k
i
j
min max
k y y
Minimizar F x
g x, y 0, i 1, 2, ..., m
h x, y 0, j 1, 2, ..., psujeito a :
x x x
y D , k 1, 2, ..., n
(1)
em que: o vetor das variáveis x representa a magnitude de tensão, os ângulos, os tap dos
transformadores e as susceptâncias shunt. A função objetivo, F(x), representa algum
desempenho do sistema. As restrições de igualdade ig x , i 1, 2, ..., m , caracterizam as
equações do fluxo de potência, as quais são obtidas impondo-se o princípio da conservação de
potência ativa e reativa em cada barra da rede. As restrições de desigualdade
jh x , j 1, 2, ..., p , representam as restrições funcionais como: os limites de potência
reativa nas barras de geração e de controle de tensão e os limites de fluxos ativos e reativos nas
linhas de transmissão.
Para resolver o problema (01) será utilizada uma função penalidade obtida através da
interpolação polinomial trigonométrica, a qual transforma o problema discreto em uma
sequência de problemas contínuos e o método PDBL será utilizado na resolução destes
problemas. Neste método as restrições de desigualdade são transformadas em igualdade
utilizando variáveis de folga positivas. As variáveis de folga são tratadas por meio da função
barreira logarítmica, e as demais restrições através de multiplicadores de Lagrange. Uma função
159
lagrangiana é determinada e as condições necessárias de primeira ordem são aplicadas a esta
função, as quais geram um sistema não-linear, o qual será resolvido pelo método de Newton.
4 DESENVOLVIMENTO
Até o presente momento investigamos o método PDBL implementado no solver
KNITRO e a estratégia da função penalidade para transformar o problema discreto em contínuo.
5 CONCLUSÕES
Observamos através da investigação de trabalhos da literatura que a utilização de
funções penalidade para o tratamento de variáveis discretas é eficiente. Neste trabalho
pretendemos desenvolver um novo tipo de função penalidade baseado na interpolação
polinomial trigonométrica.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CARPENTIER, J.L. (1962). Contribution a L’etudedu Dispatching Economique. Bull-Soc.
FrElec.,Ser. B3, p. 431 – 447.
GRANVILLE, S. (1994). OptimalReactiveDispatchThrough Interior Point Methods. IEEE
Transactionson Power Systems, v. 9, p. 136-146.
TORRES, G.L.; QUINTANA, V.H.; TORRES, G.L. (1998). Optimal Power Flow in
Rectangular Form via an Interior Point Method.IEEE Transactionson Power Systems, v.
13, n. 4, p. 1211-1218.
SILVA, D.P. (2016). Funções penalidade para o tratamento das variáveis discretas do
problema de fluxo de potência ótimo reativo. 115p. 29/03/2016. Dissertação (Mestrado em
Engenharia Elétrica). Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2016.
SOLER, E.M. Resolução do problema de fluxo de potência ótimo com variáveis de controle
discretas. 01/03/2011. 110p. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Escola de Engenharia
de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos, 2011.
WU, Y.C.; DEBS, A. S.; MARSTEN, R. E. (1994). A direct nonlinear predictor-corrector
primal-dual interior point algorithm for optimal Power flows. Power Systems, IEEE
Transactions on, 9(2), 876-883.
TÓFOLI, M.F. (2017). Solução do fluxo de potência ótimo reativo com variáveis discretas
utilizando um método de pontos interiores e exteriores com estratégia de correção de
inércia. 111p. 02/06/2017. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Faculdade de
Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2017.
160
O PROBLEMA DE MÁXIMO CARREGAMENTO BASEADO NO FATOR DE
POTÊNCIA COM VARIÁVEIS CONTÍNUAS E DISCRETAS
Graciliano Antonio Damazo
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Profª. Dra. Edméa Cassia Baptista
Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
Profª. Dra. Edilaine Martins Soler
Co-Orientadora – Depto. de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
Este artigo apresenta uma análise do problema de máximo carregamento através de um modelo
de fluxo de potência ótimo baseado no fator de potência de demanda ajustável (FPDA), com
variáveis contínuas e discretas. Os resultados são comparados ao modelo de fator de
carregamento comum (FCC) que apresenta desvantagens como o aumento de forma
proporcional para as demandas de potência ativa e reativa, e a ausência de controle do fator de
potência da demanda. No modelo FPDA, demandas ativas e reativas podem aumentar com um
padrão de carga flexível, manter o fator de potência desejado em todas as barras de carga e
melhorar a eficiência operacional do sistema.
PALAVRAS-CHAVE: Fator de Potência Demanda. Otimização. Máximo Carregamento.
Variáveis Discretas.
1 INTRODUÇÃO
O Ponto de Máximo Carregamento (PMC) é a carga máxima que um sistema de energia
pode suportar dentro das restrições impostas na geração, transmissão e operação (CHANG,
2014). A análise baseada no PMC é uma maneira eficiente de avaliar um sistema de energia no
estado estável e fornecer uma margem de segurança para os operadores do sistema
(ACHARJEE, 2012). O presente trabalho tem por objetivo obter o PMC de sistemas elétricos
utilizando o modelo (FPDA) com um tratamento adequado das variáveis de controle discretas.
Desta forma, o problema de máximo carregamento, formulado como um problema de
otimização não linear de variáveis contínuas e discretas, será testado no IEEE 30 barras,
resolvido pelo solver Knitro na plataforma GAMS.
2 REVISÃO DA LITERATURA OU ESTADO DA ARTE
Um método para encontrar o PMC é através de um conjunto de soluções sucessivas de
Fluxo de Cargas (FC) convencionais, aumentando-se gradualmente as demandas até que a
convergência não exista mais. Aprimoramentos realizados para abordagens baseadas em FC
não podem ser adequadamente aplicados às abordagens baseadas em Fluxo de Potência Ótimo
(FPO), que abrangem em seus modelos, mais restrições de ordem práticas da rede (KASMAEI,
2014). Nos últimos anos, para encontrar o PMC, os modelos baseados em FPO têm sido
amplamente utilizados, o que desempenha um papel importante nos problemas operacionais,
baseados em tomada de decisões e orientados para o mercado (CONEJO et al. (2016)). Na
maioria dos trabalhos baseados em FPO, a demanda de potência reativa aumenta com uma
relação predefinida com a demanda de potência ativa para encontrar o PMC. Em geral, as
161
demandas aumentam até que a bifurcação sela-nó seja atingida. Isso não significa que o sistema
esteja no PMC, que é um limite físico, mostra a divergência do cálculo do fluxo de potência,
que é uma falha matemática. Para sanar esse problema, Kasmaei et al. (2017) apresenta um
novo modelo, baseado no fator de potência de demanda das barras de carga. Trabalhos atuais
formulam o problema de máximo carregamento como contínuo, e dessa forma, não descrevem
o problema com a realidade necessária, já que os controles só podem ser ajustados por passos
discretos.
3 MATERIAL E MÉTODOS
A pesquisa é desenvolvida em campo teórico e computacional. Com base na
investigação do Problema de Máximo Carregamento far-se-á uma comparação dos resultados
do Ponto de Máximo Carregamento obtidos em um modelo FCC, com o modelo FPDA, com
ambos modelos levando em consideração a natureza discreta das variáveis de controle.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
No sistema IEEE 30 as variáveis discretas são os taps dos transformadores e as
susceptâncias shunt. As tensões das barras variam entre 0,95 e 1,05 pu.
Tabela 1: Resultados no PMC
Barra
Condições
iniciais FCC
(FPDA)
fp=0,90 fp=0,95
Nº Pd_inicial Qd_inicial Pd_final Qd_final Fp Pd_final Qd_final Fp Pd_final Qd_final Fp
3 0,024 0,012 0,045 0,022 0,90 1,021 0,012 1,00 0,947 0,012 1,00
4 0,076 0,016 0,142 0,03 0,98 1,457 0,016 1,00 1,416 0,016 1,00
6 0 0 0 0 0,00 5,445 0 1,00 5,505 0 1,00
7 0,228 0,109 0,426 0,204 0,90 1,609 0,109 1,00 1,669 0,109 1,00
9 0 0 0 0 0,00 0,399 0 1,00 0,255 0 1,00
10 0,058 0,02 0,108 0,037 0,95 0,058 0,02 0,95 0,061 0,02 0,95
12 0,112 0,075 0,209 0,14 0,83 0,852 0,075 1,00 0,856 0,075 1,00
14 0,062 0,016 0,116 0,03 0,97 0,062 0,015 0,97 0,062 0,015 0,97
15 0,082 0,025 0,153 0,047 0,96 0,082 0,025 0,96 0,082 0,025 0,96
16 0,035 0,018 0,065 0,034 0,89 0,037 0,018 0,90 0,055 0,018 0,95
17 0,09 0,058 0,168 0,108 0,84 0,12 0,058 0,90 0,176 0,058 0,95
18 0,032 0,009 0,06 0,017 0,96 0,032 0,009 0,96 0,032 0,009 0,96
19 0,095 0,034 0,178 0,064 0,94 0,095 0,034 0,94 0,103 0,034 0,95
20 0,022 0,007 0,041 0,013 0,95 0,022 0,007 0,95 0,022 0,007 0,95
21 0,175 0,112 0,327 0,209 0,84 0,231 0,112 0,90 0,341 0,112 0,95
22 0 0 0 0 0,00 0 0 0,00 0 0 0,00
23 0,032 0,016 0,06 0,03 0,89 0,033 0,016 0,90 0,049 0,016 0,95
24 0,087 0,067 0,163 0,125 0,79 0,138 0,067 0,90 0,204 0,067 0,95
25 0 0 0 0 0,00 0 0 0,00 0 0 0,00
162
26 0,035 0,023 0,065 0,043 0,83 0,047 0,023 0,90 0,07 0,023 0,95
27 0 0 0 0 0,00 0 0 0,00 0 0 0,00
28 0 0 0 0 0,00 0,44 0 1,00 0,257 0 1,00
29 0,024 0,009 0,045 0,017 0,94 0,024 0,009 0,94 0,027 0,009 0,95
30 0,106 0,019 0,198 0,036 0,98 0,106 0,019 0,98 0,106 0,019 0,98
Barra
Carga 1,375 0,645 2,571 1,206 ---- 12,311 0,644 ---- 12,295 0,744 ----
Barras
geração 1,459 0,617 2,728 1,154 ---- 1,459
-
1,398 ---- 1,459
-
4,080 ----
Total 2,834 1,262 5,299 2,360 0,90 13,770 -
0,754 ---- 13,754
-
3,336 ----
Variáveis discretas de controle
Variáveis FCC FPDA(fp=0,90) FPDA(fp=0,95)
taps
t6_9 0,97 0,97 0,95
t6_10 1,05 1,05 1,03
t4_12 1,04 1,04 0,95
t28_27 1,05 1,05 1,05
Susceptância
shunt
bsh_10 0,20 0,20 0,20
bsh_24 0,24 0,24 0,24
Função Objetivo F 2,571 12,311 12,295
No início, o total ativo das barras de carga é de 1,375pu, enquanto no PMC, com o
modelo FCC, o mesmo passa a ser 2,571pu, enquanto que no modelo FPDA com fp=0,90 e
fp=0,95, ele assume 12,311pu e 12,295pu, respectivamente. Observa-se que as barras de carga
6, 9 e 28, sem carga inicial, são carregadas no PMC somente no modelo FPDA, o que demonstra
a flexibilidade do modelo que permite a distribuição de suas demandas pelas barras de acordo
com a topologia do sistema e condições de carregamento. A Tabela1 evidencia que o fator de
potência de algumas barras no modelo FCC, assumem valor muito baixo, como pode-se
observar na barra 24 cujo fator de potência é 0,79. Outras barras como 12, 17, 21 e 26 também
possuem fator de potência baixo, o que é uma deficiência do modelo.
4 CONCLUSÕES
Este artigo acrescentou aos modelos FCC e FPDA o tratamento das variáveis de controle
levando em consideração sua característica discreta. A partir dos resultados pôde-se observar
que os métodos, foram eficientes e ajudaram a explicitar a vantagem do modelo FPDA. O
modelo FPDA possibilitou aproveitar mais o potencial de carregamento do sistema, ao utilizar
melhor a flexibilidade do modelo, distribuir as cargas de acordo com o nível de carregamento
e sua topologia, além de manter o fator de potência acima de um mínimo pré-definido. Essas
características deixaram os resultados mais realistas e aplicáveis na prática.
163
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ACHARJEE, P. Identification of maximum loadability limit and weak buses usingsecurity
constraint genetic algorithm, Int. J. Electr. Power Energy Syst. 36 (1)(2012) 40–50, 2012.
CHANG, Y.C. Multi-objective optimal thyristor controlled series compensator installation
strategy for transmission system loadability enhancement, IET Gener. Transm. Distrib. 8
(March (3)) (2014) 552–562, 2014.
CONEJO, A.J. et al. Investment in Electricity Generation and Transmission, Springer
International Publishing, 2016.
KASMAEI, M. P.; RIDER, M.J.; MANTOVANI,J.R.S. An unequivocal normalization-based
paradigm to solve dynamic economic and emission active-reactive OPF (optimal power flow),
Energy 73 (2014) 554–566, 2014.
KASMAEI, M. P.; CONTRERAS, J.; MANTOVANI, J. R. S. A demand power factor-based
approach for finding the maximum loading point. Electric Power Systems Research, v. 151, p.
283-295, OCT 2017.
164
RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM PONTO
DE CARREGAMENTO DE VÁLVULA E RESTRIÇÕES DE SEGURANÇA
Adilson Preto de Godoi
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Profa. Dra. Edméa Cássia Baptista
Orientadora – Depto de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO
O problema de Fluxo de Potência Ótimo foi inicialmente formulado por Carpentier em 1962 e
após isso, vários trabalhos foram apresentados, os quais abordam diferentes modelos para o
problema de Fluxo de Potência Ótimo. Neste trabalho damos destaque ao problema de Fluxo
de Potência Ótimo com Restrição de Segurança, no qual, são consideradas as contingências que
podem ocorrer no sistema elétrico, o problema é dividido em duas etapas, as decisões da
primeira etapa são de controle preventivo, enquanto as segundas são de controle corretivo. A
proposta é resolver o Problema de Fluxo de Potência Ótimo com Ponto de Válvula e Restrição
de Segurança utilizando o Método Primal-Dual de Barreira Logarítmica.
PALAVRAS-CHAVE: Otimização. Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança.
Fluxo de Potência Ótimo com Ponto de Carregamento de Válvula. Método Primal-Dual
Barreira Logarítmica.
1 INTRODUÇÃO
Resolver o problema Fluxo de Potência Ótimo (FPO) consiste em determinar um ponto
ótimo de operação para o Sistema Elétrico de Potência (SEP) levando em conta um determinado
objetivo, melhorando o desempenho do sistema e respeitando os limites operacionais e físicos
da rede elétrica.
O problema de Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança é mais desafiador
do que o problema de FPO, segundo Capitanescu et al. (2011), pois a dimensão do problema é
significativamente maior, existe a necessidade de lidar com variáveis discretas e também é um
problema sujeito a incertezas, pois todo o sistema está sujeito a apresentar alguma contingência
(queda de uma linha de transmissão ou saída de um gerador), a qualquer momento, de maneira
que a estrutura do problema pode ser alterada, devido a inclusão e exclusão de determinadas
restrições. O problema descrito pode ser entendido como um problema de tomada de decisão
em duas etapas, na primeira etapa, são tomadas decisões preventivas em tempo real sobre um
cenário conhecido, o que impacta diretamente na função objetivo, por outro lado, as decisões
da segunda etapa são de controle corretivo, que são aplicadas apenas após alguma ocorrência
de certas contingências para garantir a viabilidade do sistema. O Fluxo de Potência Ótimo com
Restrição de Segurança é um problema de otimização restrita, não linear, não convexo, de
grande porte, com variáveis discretas e canalizadas tornando-o assim, de difícil resolução e sua
formulação será apresentada na próxima seção.
2 O PROBLEMA FLUXO DE POTÊNCIA ÓTIMO COM RESTRIÇÃO DE
SEGURANÇA
O problema de Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança é uma importante
ferramenta para os operadores de transmissão, tanto para o planejamento operacional do
165
sistema, quanto para a precificação da energia.
Alguns sistemas elétricos estão operando com sobrecarga e isso gera uma incerteza na
garantia do atendimento da demanda, pois pode ocorrer alguma eventualidade. O FPO não leva
isso em consideração, porém o Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança considera
que algumas contingências podem acontecer, tendo isso como premissa, ao resolver o Fluxo de
Potência Ótimo com Restrição de Segurança já temos uma previsão do cenário e com isso pode-
se tomar a decisão mais correta para o caso. Neste trabalho levamos em consideração o critério
de segurança (N-1), ou seja, a ocorrência de uma contingência por vez. Com isso, a dificuldade
do modelo se dá pela formulação do problema, por sua dimensão, a não convexidade das
funções, a não diferenciabilidade da função objetivo, entre outros.
A formulação do problema de Fluxo de Potência Ótimo com Restrição de Segurança,
apresentada por Capinatescu et. al (2011), é descrito matematicamente da seguinte maneira:
𝑴𝒊𝒏𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓 𝒇(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) (1)
𝒔𝒖𝒋𝒆𝒊𝒕𝒐 𝒂: 𝒈𝟎(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) = 𝟎 (1.1)
𝒉𝟎(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) ≤ 𝑳𝒍 (1.2)
𝒈𝒌𝒔 (𝒙𝒌
𝒔 , 𝒖𝟎) ≤ 𝟎 (1.3)
𝒉𝒌𝒔 (𝒙𝒌
𝒔 , 𝒖𝟎) ≤ 𝑳𝒔 (1.4)
𝒈𝒌(𝒙𝒌, 𝒖𝒌) = 𝟎 (1.5)
𝒉𝒌(𝒙𝒌, 𝒖𝒌) ≤ 𝑳𝒎 (1.6)
|𝒖𝒌 − 𝒖𝟎| ≤ ∆𝒖𝒌 (1.7)
Adotando-se 𝒌 = 𝟎 para o caso de pré-contingência e 𝒌 = 𝟏, … , 𝒄 para os casos de pós-
contingência. Em que: 𝒇(𝒙𝟎, 𝒖𝟎) é a função objetivo de minimização do custo de geração com
ponto de válvula; 𝒙𝟎, 𝒙𝒌𝒔 , 𝒙𝒌 são as variáveis de estado pré-contingência, pós-contingência por
um curto período e pós-contingência após o redespacho, respectivamente; 𝒖𝟎, 𝒖𝒌 são as
variáveis de controle pré-contingência e pós-contingência, respectivamente; 𝒈𝟎, 𝒈𝒌𝒔 , 𝒈𝒌 são
expressões matemáticas que definem as restrições de balanço de potência ativa e reativa do
estado pré-contingência, pós-contingência por um curto período e pós-contingência após o
redespacho, respectivamente; 𝒉𝟎, 𝒉𝒌𝒔 , 𝒉𝒌 são expressões matemáticas que definem as restrições
de potência gerada, magnitude das tensões, taps dos transformadores, geração de reativo e
reativa do estado pré-contingência, pós-contingência por um curto período e pós-contingência
após o redespacho, respectivamente; ∆𝒖𝒌 é o vetor de máximos ajustes permitidos para as
variáveis de controle entre o caso base e 𝒌 − é𝒔𝒊𝒎𝒐 caso de pós-contingência.
O problema de (1.0)-(1.2) é o caso base, sem segurança. O problema de (1.0)-(1.4) é o
caso preventivo, seguro, porém caro. Já o problema de (1.0)-(1.7) é o caso corretivo, com um
custo intermediário, seguro e admite um possível ajuste caso ocorra uma determinada
contingência.
A função objetivo (1.0), utilizada neste trabalho, é o custo de produção de energia de
unidades termelétricas. Ela é representada matematicamente da seguinte maneira:
𝑪(𝑷𝑮) = ∑𝒂𝒌𝑷𝑮,𝒌𝟐 + 𝒃𝒌𝑷𝑮,𝒌 + 𝒄𝒌 + |𝒆𝒌𝒔𝒆𝒏(𝒇𝒌(𝑷𝑮𝒎𝒊𝒏,𝒌 − 𝑷𝑮,𝒌))|
𝒌∈𝑮
(1.8)
166
em que: 𝑪(𝑷𝑮) é o custo de geração de energia para o sistema elétrico; 𝑷𝑮,𝒌 é a potência gerada
na barra k; 𝒂𝒌, 𝒃𝒌, 𝒄𝒌, 𝒆𝒌, 𝒇𝒌 são os coeficientes da função custo de cada gerador k; 𝑷𝑮𝒎𝒊𝒏,𝒌 é o
limite inferior de geração do gerador k.
As variáveis do problema são: potência gerada nas barras de geração, magnitude das
tensões e os ângulos das tensões nas barras.
A parte modular da função objetivo representa os pontos de carregamento de válvula.
Estes termos modulares, sendo um para cada gerador, torna a resolução do problema ainda mais
difícil, pois a função objetivo torna-se não-diferenciável. Para contornar o problema da não-
diferenciabilidade é utilizada uma técnica de suavização do termo modular.
3 SUAVIZAÇÃO HIPERBÓLICA
Com o objetivo de contornar a não-diferenciabilidade da função custo devido a presença
do termo modular, utilizamos a suavização hiperbólica proposta por Junior (2010), Souza
(2010) e Xavier&Xavier (2011). A técnica utiliza um parâmetro β positivo que controla a
suavização da função. Desta forma, considere a função 𝒇: 𝑹 → 𝑹 tal que 𝒇(𝒙) = |𝒙|, logo a
suavização é feita da seguinte maneira:
𝑺 = √(𝒇(𝒙))𝟐
+ 𝜷 (1.9)
em que 𝜷 > 𝟎.
4 O MÉTODO PRIMAL-DUAL BARREIRA LOGARÍTMICA
O Método Primal-Dual Barreira Logarítmica (PDBL) é uma ferramenta eficiente para
resolução de problema de otimização, pois otimiza um determinado problema com restrições
de igualdade e desigualdade. Considere o problema de otimização a seguir:
𝑴𝒊𝒏𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓 𝒇(𝒙) (2.0)
𝒔𝒖𝒋𝒆𝒊𝒕𝒐 𝒂: 𝒈𝒊(𝒙) = 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒑 (2.1)
𝒉𝒊(𝒙) ≤ 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒎 (2.1)
em que: 𝒙 ∈ 𝑹𝒏, 𝒈(𝒙) ∈ 𝑹𝒑, 𝒉(𝒙) ∈ 𝑹𝒎.
O método PDBL transforma as restrições (2.1) em igualdades através da adição de
variáveis positivas, denominadas folgas, modificando-o para o seguinte problema equivalente:
𝑴𝒊𝒏𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓 𝒇(𝒙) (2.3)
𝒔𝒖𝒋𝒆𝒊𝒕𝒐 𝒂: 𝒈𝒊(𝒙) = 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒑 (2.4)
𝒉𝒊(𝒙) + 𝒔𝒊 = 𝟎, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒎 (2.5)
𝒔𝒊 ≥ 𝟎 (2.6)
em que: 𝒔𝒊 ∈ 𝑹𝒎.
As variáveis de folga são adicionadas na função objetivo por meio da uma função
barreira logarítmica e as demais restrições (2.3) e (2.4) também são adicionadas na função
167
objetiva através dos multiplicadores de Lagrange. Desse modo temos a seguinte função
Lagrangiana:
𝑳(𝒙, 𝒔, 𝝀, 𝝅) = 𝒇(𝒙) − 𝝁 ∑ 𝐥𝐧 (𝒔𝒋)
𝒎
𝒋=𝟏
− ∑ 𝝀𝒊𝒈𝒊(𝒙)
𝒑
𝒊=𝟏
− ∑ 𝝅𝒋[𝒉𝒋(𝒙) − 𝒔𝒋]
𝒎
𝒋=𝟏
(2.7)
sendo 𝝁 o parâmetro de barreira, um número positivo, 𝝀𝒊, 𝒊 = 𝟏, … , 𝒑 e 𝝅𝒋, 𝒋 = 𝟏, … , 𝒎 os
vetores dos multiplicadores de Lagrange, denominados de variáveis duais.
Na função (2.6) são aplicadas as condições necessárias de primeira ordem de KKT,
obtendo o seguinte sistema, não linear:
𝛁𝒅𝑳 = 𝟎 (2.8)
Para a resolução do sistema (2.7) é utilizado o método de Newton.
5 TESTES NUMÉRICOS
Nós resolvemos os três modelos, caso base, preventivo e corretivo. O sistema utilizado
foi o IEEE 14 barras. Para os casos preventivo e corretivo foi simulada uma contingência, ou
seja, a queda da linha que liga as barras 2 e 4. A linha foi escolhida por possuir nível de fluxo
de potência elevado. Os problemas foram resolvidos através do Método Primal-Dual Barreira
Logarítmica utilizando o pacote de otimização KNITRO de Waltz e Platenga (2010).
Na tabela a seguir são apresentados os resultados dos problemas resolvidos.
Geradores Caso base Preventivo Corretivo
Pg1 43,2MW 37,4MW 37,8MW
Pg2 96,8MW 0MW 3,2MW
Pg3 12,7MW 100MW 98MW
Pg6 91,2MW 100MW 100MW
Pg8 19,6MW 24MW 23MW
F. Objetivo $948,38 $1407,45 $1392,27
6 CONCLUSÕES
Podemos perceber que o caso base é o mais barato, porém não oferece nenhuma
segurança para o sistema. No caso preventivo já está sendo considerada a possível contingência
da linha entre as barras 2 e 4, o que gera um custo muito alto. Já o terceiro caso, ou seja,
corretivo é de valor intermediário, considera a possível contingência da linha entre as barras 2
e 4 e já fornece ao operador as informações necessárias para tomada de decisão.
REFERÊNCIAS
Carpentier, J. L. Contribution a Lètude du Dispatching Economique. Bull-Soc. Fr. Elec. Ser.
B3, p. 431-447, 1962.
Capitanescu, F. et al. State-of-the-art, Challenges, and Future Trends in Security Constrained
Optimal Power Flow. Electric Power Systems Research. p. 1731-174,. v. 81. 2011.
168
Costa, M. T. Solução do problema de fluxo de potência ótimo com restrição de segurança e
controles discretos utilizando o método primal-dual barreira logarítmica. Dissertação –
Faculdade de Engenharia Elétrica, UNESP, Bauru, 2016.
Junior, J. R. P. Resolução do Problema de Empacotamento de Circunferências na Superfície de
uma Esfera utilizando Suavização Hiperbólica. Dissertação de Mestrado, Instituto Alberto Luiz
Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE) – Universidade Federal do Rio
de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 2010.
Souza, M. F. Suavização Hiperbólica Aplicada à Otimização de Geometria Molecular. PhD
thesis, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE) –
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 2010.
Waltz R. A.; Platenga T. D. KNITRO user’s manual. Version 7.0, Technical Report, Ziena
Optimization, Evanston, IL, USA. (http://www.gams.com/dd/docs/solvers/knitro.pdf), 2010.
Xavier, A. E. & Xavier, V. L. Solving the minimum sum-of-squares clustering problem by
hyperbolic smoothing and partition into boundary and gravitational regions. Pattern
Recognition, 44(1), 70–77, 2011.
169
RESUMOS RELATIVOS ÀS
APRESENTAÇÕES POR POSTÊRES
170
CONTROLE DE SISTEMAS DINÂMICOS NÃO-LINEARES COM COEFICIENTES
PERIÓDICOS PELA ANÁLISE DE SINHA E MÉTODO DE BIFURCAÇÕES
Eduardo Abuhamad Petrocino
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. José Manoel Balthazar
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO Os sistemas dinâmicos não-lineares com coeficientes periódicos tiveram seus estudos
aprofundados somente nas últimas décadas devido a restrições computacionais, tais restrições
estão sendo reduzidas pela recente evolução tecnológica. Para a análise e controle de sistemas
com coeficientes periódicos, é exigido utilizar o sistema de controle moderno na forma de
espaço de estados cuja solução do conjunto é obtida pela matriz de transição de estados, e, em
um sistema com coeficientes periódicos, pela teoria de Floquet, que enuncia a obtenção da
matriz de transição de estados no final do período, denominada matriz de monodromia ou
matriz de transição de Floquet, na qual seus autovalores, conhecidos como multiplicadores de
Floquet, fornecem os parâmetros necessários para caracterizar a estabilidade do sistema. A
obtenção da matriz de monodromia na sua forma fechada para sistemas não-comutativos não é
tangível com os métodos tradicionais, sendo possível, pela teoria de Sinha, utilizando
aproximações numéricas, na qual foi escolhida convenientemente a expansão polinomial de
Chebyshev alterada em conjunto com o método interativo de Picard, cujas etapas serão
detalhadas neste trabalho. O diagrama de estabilidade é obtido com os multiplicadores de
Floquet, permitindo assim, o projeto do controlador, sendo linear caso atenda aos requisitos
com as transformações de Lyapunov-Floquet, ou não-linear pelo método de bifurcações, cujo
objetivo é atrasar ou eliminar bifurcações que levem o sistema ao regime caótico. Uma estrutura
com dois graus de liberdade e um pêndulo excitado parametricamente foi montada para a
implementação do controlador, que modificará os parâmetros de entrada do gerador de
vibrações mecânicas. Este projeto de controlador conta com simulações numéricas
computacionais, feitas no MATLAB para as montagens dos diagramas de estabilidade e
diagramas de bifurcações, que em conjunto com os valores obtidos do protótipo a partir da
utilização de acelerômetros, medidores de posição e equipamentos de aquisição, possibilita a
execução do controlador feito por realimentação de estados para estabilizar o pêndulo tanto
numericamente como sua implementação prática.
PALAVRAS-CHAVE: Controle Não-linear por Bifurcações, Sistemas Dinâmicos Caóticos,
Teoria de Floquet, Sistemas Periódicos.
171
METODOLOGIA DE CONTROLE COOPERATIVO DE GERADORES
DISTRIBUÍDOS COM MÚLTIPLAS CONSIDERAÇÕES DE OPERAÇÃO
Augusto M. S. Alonso
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
Orientador – Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO Inversores multifuncionais têm se consolidado como dispositivos indispensáveis em
microrredes de energia elétrica devido à sua capacidade de agregar flexibilidade ao
gerenciamento de injeção de potência ativa e também prover serviços auxiliares de qualidade
de energia. Dessa forma, inúmeras alternativas baseadas em metodologias hierárquicas ou
descentralizadas vêm sendo propostas para o controle cooperativo destes dispositivos dispersos
em microrredes, visando somente um bem global, que é dado pelo controle de fluxo de
potências no PAC ou em algum nó específico. Em contrapartida, ainda resultam lacunas na
literatura quanto ao estudo de alternativas que coordenem inversores sob um contexto
multiobjetivo em microrredes, provendo o compartilhamento de quantidades elétricas ativas,
reativas e harmônicas, não somente considerando um estado desejado no PAC ou em um nó,
mas também respeitando condições de qualidade de energia em nós secundários. Portanto, este
trabalho prevê o estudo de uma metodologia de controle cooperativo de inversores que abranja
múltiplas condições nodais operação em uma microrrede, sob situação ilhada ou interconectada,
em topologia mono ou trifásica com características distorcidas e assimétricas de operação.
Pesquisas relacionadas à viabilidade de algumas metodologias presentes na literatura, assim
como o algoritmo Current-Based Control, servirão como base para posterior aprofundamento
a alguma estratégia que possa ser aprimorada e expandida para o escopo multiobjetivo. Planeja-
se que um protótipo laboratorial de microrrede despachável com inversores distribuídos seja
implementado, visando a validação experimental da proposta e confrontamento com resultados
obtidos por abordagens teóricas e de simulação.
PALAVRAS-CHAVE: Qualidade de Energia, Geradores Distribuídos, Compensação
Distribuída, Microrredes, Controle Cooperativo, Inversores Multifuncionais.
172
BOAS PRÁTICAS DOS PROGRAMAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA MUNDIAIS
APLICADAS AO BRASIL
Juliana Aline Galan Maginador
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. André Nunes de Souza
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO Governos e entidades reguladoras do setor elétrico investem em boas práticas, processos,
equipamentos e infraestrutura buscando aumentar a eficiência energética. É crescente a
aplicação da eficiência energética como forma de agente transformador de comunidades,
cidades e até mesmo países. Porém a questão relacionada ao retorno que as diversas tecnologias
e procedimentos implementados têm trazido no âmbito econômico, social e técnico ainda se faz
presente. Serão exibidos os principais programas de eficiência energética atualmente ativos no
mundo com especial enfoque para União Européia, Portugal, Espanha, Alemanha, Japão,
China, Rússia, Estados Unidos e Brasil. Detalhadamente para o Brasil, será analisado
inicialmente o Procel, o qual será descrito em uma escala de tempo de duas décadas, analisando
as diferenças de cada subprograma, bem como também a motivação e incentivo governamental
que apoia cada iniciativa. Em seguida, serão apresentados os detalhes do Programa de
Eficiência Energética da Aneel e seus investimentos em cada tipologia tal como a energia
economizada e o retorno do investimento. Ainda com relação ao Brasil, este trabalho
apresentará os diversos projetos das concessionárias que serão confrontados com os demais por
tipologia de cada região, esclarecendo-se então, quais os melhores retornos por região e as
melhores políticas de eficiência energética atualmente aplicada e quais possibilidades de
aperfeiçoamento nas diferentes regiões do Brasil. Dessa forma, o presente trabalho busca
quantificar essa relação analisando-se os impactos no âmbito técnico-econômico e social, o qual
será comparado com as metas e resultados dos demais programas mundiais, traçando-se
analogias de aplicação e dos programas mais bem-sucedidos em outros países, adaptando-se à
realidade brasileira.
PALAVRAS-CHAVE: Eficiência Energética, Programas de Eficiência Energética, Impactos
Sociais.
173
DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO E PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS NA
ESTIMAÇÃO DA RUGOSIDADE DE COMPONENTES CERÂMICOS NO
PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA
Martin A. Aulestia Viera
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO O processo de retificação é amplamente utilizado no acabamento superficial de cerâmicas e
corresponde a uma das últimas etapas no processo de fabricação. Deste modo, é imprescindível
um monitoramento confiável deste processo. Assim, um sistema de monitoramento em tempo
real é necessário para auxiliar o operador na tomada de decisão de modo a otimizar e reduzir
os custos do processo. Por outro lado, o monitoramento do processo de retificação por meio de
diafragma piezelétrico tem sido pouco relatado na literatura. Assim, o objetivo do presente
trabalho é propor uma nova técnica para estimar a rugosidade de peças de cerâmica alumina no
processo de retificação plana usando diafragma piezelétrico e técnicas avançadas de
processamento digital de sinais. Um banco de ensaios será construído e ensaios serão efetuados,
nos quais os sinais do diafragma piezelétrico, sensor de emissão acústica e potência serão
coletados. A comparação dos resultados do diafragma piezelétrico com aqueles
do sensor de emissão acústica será realizada, o qual já é consolidado em sistemas de
monitoramento de processos de usinagem. Combinação das informações dos sensores também
será realizada, visando-se extrair características para a estimação da rugosidade. Como
resultado do trabalho, obter-se-á uma técnica não destrutiva para a estimação da rugosidade de
peças cerâmicas retificadas por meio de diafragma piezelétrico de baixo custo e / ou fusão dos
referidos sensores, e com características que proporcionem confiabilidade e robustez e,
consequentemente, contribuindo para o monitoramento, automação, controle e otimização do
processo.
PALAVRAS-CHAVE: Processo de Retificação, Monitoramento do Processo de Retificação,
Estimação da Rugosidade, Transdutor Piezelétrico, Processamento Digital de Sinais.
174
UMA NOVA TÉCNICA PARA A DETECÇÃO DE DANOS EM PEÇAS DE AÇO
ABNT 4340 NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO PLANA BASEADA EM SINAIS
ULTRASSÔNICOS GERADOS POR TRANSDUTOR PIEZELÉTRICO
Felipe Aparecido Alexandre
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Departamento de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO A retificação é um processo de acabamento e precisão situado na fase final da cadeia de
usinagem. As perdas por danos nesta fase são inadmissíveis, devido ao alto valor agregado que
a peça possui por ter sido submetida anteriormente a outros processos de manufatura. O
monitoramento da retificação de aços por meio do sinal de transdutores piezelétricos se
apresenta como uma alternativa para o diagnóstico da superfície da peça. Algumas pesquisas
recentes demostraram que esse sinal tem potencial para monitorar o processo de retificação. O
objetivo do presente trabalho consiste na proposta de uma técnica baseada nos sinais
ultrassônicos gerados por transdutor piezelétrico para identificar a ocorrência de danos
(rugosidade fora dos padrões da indústria e alterações microestruturais no material) em peças
de aço ABNT 4340 durante o processo de retificação. Um banco de ensaios será construído e
ensaios serão efetuados, nos quais os sinais de diafragmas piezelétricos e sensor de emissão
acústica serão coletados. As características que representem a condição da superfície da peça
serão aferidas por meio de testes de dureza, rugosidade, metalografia e microscopia eletrônica
de varredura. Técnicas de processamento digital de sinais serão empregadas e, em seguida, as
características relacionadas com os danos nas peças serão avaliadas. Como resultado do
trabalho, obter-se-á um sistema de detecção não destrutivo por meio de sensores de baixo custo,
não invasivo, e com características que proporcionem maior confiabilidade e robustez na
detecção dos danos de peças de aço retificadas e, consequentemente, contribuir para automação,
controle e otimização do processo.
PALAVRAS-CHAVE: Monitoramento do processo de retificação, transdutor piezelétrico,
Emissão Acústica, sinais ultrassônicos
175
PROBLEMAS DE QUALIDADE DE ENERGIA EM PLATAFORMAS DE
PETRÓLEO E SOLUÇÕES BASEADAS EM ALGORITMOS COMPUTACIONAIS
DE APRENDIZAGEM
Caio Cesar Policelli Amalfi
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
Orientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO Atualmente muito se tem discutido sobre a questão da qualidade de energia na indústria
offshore do petróleo. O aumento da presença de cargas não-lineares nesse tipo de ambiente
contribui de forma significativa para a qualidade da energia gerada. O aparecimento de
harmônicos na rede, redução do fator de potência e ruídos ainda são problemas persistentes.
Apesar da existência de medidores de qualidade de diversos fabricantes, o estudo para as
soluções desses problemas mesmo que previamente identificados, continuam demorados e
perdas de equipamentos mesmo que redundantes ainda acontecem. A indústria offshore
americana, nos últimos anos, teve um gasto de, aproximadamente, 35 bilhões de dólares em
equipamentos por problemas decorrentes da baixa qualidade de energia. Na Europa esse valor
é calculado em 950 mil euros semanais. Desta maneira, mesmo com a presença de medidores
de qualidade de valor econômico elevado percebeu-se a demora na solução dos problemas
encontrados, perda de equipamentos e o alto custo envolvido. Por isso, o objetivo deste trabalho
é modelar, através de dados reais, uma plataforma de petróleo, estudando todos os problemas
relacionados à qualidade de energia e propor soluções usando algoritmos computacionais
baseados em aprendizado de máquinas, para avaliar a situação e fornecer resultados do ponto
de vista técnico e do ponto de vista do custo.
PALAVRAS-CHAVE: petróleo, qualidade, energia, algoritmos.
176
CONTROLE DE ESTABILIZAÇÃO DE VOO DE VANTS QUADRIRROTORES:
MODELAGEM, CONTROLE, SIMULAÇÃO E PROTOTIPAGEM
Fernando Mascagna Bittencourt Lima
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Átila Madureira Bueno
Orientador – Depto de Engenharia de Controle e Automação – Unesp – Sorocaba
RESUMO O controle de estabilização do voo de VANTs (veículos aéreos não tripulados) quadrirrotores
abrange diversas áreas do conhecimento da engenharia, tais como mecânica, eletrônica e
computação. O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de diferentes
controladores para tal estabilização. Diferentes controladores (lineares e não lineares) serão
avaliados a fim de estabelecer um comparativo entre os resultados obtidos para cada um e
determinar qual deles é o mais eficiente para diferentes condições de voo. Para tal
desenvolvimento, um modelo matemático do VANT em questão será obtido a fim de
possibilitar o projeto dos controladores. Este modelo utilizará os parâmetros de um quadrirrotor
real que também será desenvolvido neste projeto para validação da eficiência dos controladores
desenvolvidos. O protótipo será projetado de tal forma a possuir uma autonomia de voo
suficiente para realização dos testes, resistência mecânica a todos as condições que será exposto
durante o voo, tais como vento e vibrações geradas, e ser controlável. Para a validação da
eficiência dos controladores desenvolvidos, serão realizadas tanto simulações quanto testes
reais aplicados ao protótipo. Durante as simulações, a planta a ser controlada será o modelo
encontrado anteriormente. Levando em consideração que o modelo apresenta algumas
simplificações, a eficiência real do controlador somente será verificada após a execução de um
voo com a utilização do protótipo.
PALAVRAS-CHAVE: Modelagem, Controle, Quadrirrotor.
177
SISTEMA MEDIDOR DE SINAIS DE FORÇA COM DINÂMICA RÁPIDA
UTILIZANDO DIAFRAGMA PIEZELÉTRICO DE BAIXO CUSTO
Reinaldo Götz de Oliveira Junior
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO A medição de força desempenha um papel importante nos processos de manufatura, pois
permite a verificação do nível de desgaste da ferramenta, a temperatura e a integridade da
superfície da peça, a profundidade de corte e o nível de deflexão de contato, remoção de
material, entre outros. Este projeto de pesquisa propõe o desenvolvimento de um sistema de
medição de força que deverá responder a sinais com dinâmica rápida, tais como trincas, início
de queima, efeito chatter, entre outros fenômenos que se manifestam durante o processo de
manufatura. Tal sistema utilizará um sensor construído a partir de um diafragma piezelétrico
de baixo custo composto por Titanato Zirconato de Chumbo (PZT), cuja aplicação típica é a
emissão de sinais sonoros, embora venha sendo amplamente utilizado na detecção de sinais
com freqüências bem acima do espectro audível. O sinal produzido pelo sensor será
condicionado por um circuito amplificador de carga e convertido em medida de força. A
calibração deste medidor de força deverá ser feita comparando-se os sinais obtidos aos sinais
de um sistema comercial de precisão. Como resultado deste projeto, espera-se obter um sistema
confiável de medição de força que possa ser empregado no monitoramento de processos de
manufatura, especialmente na retificação, permitindo a otimização dos custos do processo e
garantindo a qualidade das peças fabricadas.
PALAVRAS-CHAVE: Medidor de Força, Piezelétrico, Retificação.
178
IDENTIFICAÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA EM FUNCIONAMENTO
Daniele F. Akiyoshi
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. André Luiz Andreoli
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO Os transformadores de potência são equipamentos essenciais nos sistemas elétricos e
apresentam um custo associado bastante elevado. Uma falha ou a perda de sua função impacta
diretamente o fornecimento e a qualidade da energia elétrica entregue aos consumidores,
causando transtornos e elevados prejuízos financeiros às concessionárias. Desta forma, o
desenvolvimento de técnicas preditivas de manutenção é de suma importância para prevenir
falhas nestes equipamentos. Uma das principais causas de falhas em transformadores são as
descargas parciais (DP), que ocorrem devido à degradação física e química do material isolante
das partes que o compõem. Fatores como sobrecarga, superaquecimento, cargas não-lineares e
sinais elétricos com grande conteúdo harmônico vinculados a sistemas chaveados, em longo
prazo, aceleram ainda mais este processo. O uso de técnicas não-invasivas e precisas de
localização das descargas parciais em transformadores energizados possibilita o planejamento
de uma intervenção, evitando, assim, que o problema evolua e cause prejuízos maiores. Este
trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia de identificação do local de ocorrência
de descargas parciais no interior de transformadores em óleo mineral energizados em condições
de carregamento nominal. Para isso será utilizado o método de emissão acústica por meio do
emprego de sensores piezelétricos de baixo custo, distribuídos externamente a sua estrutura. As
características extraídas dos sinais provenientes dos sensores serão aplicadas no treinamento de
Redes Neurais Artificiais (RNA) para obtenção das distâncias estimadas entre os sensores e a
descarga parcial. A partir dessas distâncias espera-se obter, através do método numérico de
triangulação, as coordenadas tridimensionais do ponto da descarga.
PALAVRAS-CHAVE: Transformador de Potência, Descarga Parcial, Sensor Piezelétrico.
179
ESTUDO DE TÉCNICAS DE CONTROLE PARA ESTABILIDADE DE SISTEMAS
EÓLICOS COM GERADOR DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADO
Christielly Fernandes da Costa
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. André Luiz Andreoli
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO O vento tem sido usado como fonte de energia há, pelo menos, três mil anos. Até o começo do
século XX, esse uso era destinado para fornecer energia mecânica a fim de bombear água ou moer
grãos. Com o avanço da tecnologia e o aumento no preço do petróleo no começo da década de 1970,
o uso dessa fonte teve seu foco voltado, também, para a geração de energia elétrica. Dessa forma,
com o propósito de reduzir o uso de combustíveis fósseis, países do mundo todo têm investido em
fontes renováveis de energia, uma vez que estas se apresentam como uma fonte inesgotável, não
poluente e limpa. Nesse contexto, a geração eólica vem se destacando como uma das mais
promissoras, principalmente devido a sua viabilidade econômica e ao grande desenvolvimento
tecnológico obtido nos últimos anos. Entre as diferentes topologias utilizadas nos sistemas de
geração eólica, destaca-se a configuração elaborada para operação em velocidade variável,
empregando gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) associado a conversores
eletrônicos para controle de sua operação. Entre as principais vantagens da utilização do DFIG,
destacam-se sua maior eficiência na conversão de energia, menor estresse mecânico do rotor,
controle independente de potência ativa e reativa e limitação da potência manipulada pelos
conversores a valores típicos de 30% da potência nominal do sistema. Essas características fazem
com que essa topologia esteja instalada em mais de 50% dos sistemas eólicos. Este projeto tem por
objetivo a modelagem da máquina de indução e dos conversores utilizados em sistemas de geração
eólica, seguida de uma investigação das técnicas de controle que garantam melhor estabilidade a
esse sistema, considerando o conjunto submetido a distúrbios relacionados a transientes de
operação. O sistema modelado será simulado em plataforma computacional e os resultados serão
validados com o emprego de um sistema de hardware in the loop incorporado a bancada
experimental em laboratório.
PALAVRAS-CHAVE: Geração Eólica, Gerador de Indução Duplamente Alimentado,
Estabilidade de Sistemas Elétricos de Potência.
180
EVOLUÇÃO INSTITUCIONAL DE QUALIDADE NO SETOR ELÉTRICO
BRASILEIRO
Thiago Xavier da Silva Palma
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - Unesp - Bauru
Prof. Dr. André Nunes de Souza
Orientador - Departamento de Engenharia Elétrica - Unesp - Bauru
RESUMO A mudança estrutural das empresas distribuidoras do Setor Elétrico Brasileiro, a partir de 1996,
do modelo de gestão predominantemente estatal para a gestão privada, proporcionou a
redefinição do marco regulatório da qualidade de energia elétrica à nova realidade institucional.
Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica, a introdução de parâmetros normativos, mais
consistentes, para a qualidade do serviço e, posteriormente, para a qualidade do produto em
regime permanente, permitiu a evolução da percepção de melhoria nos procedimentos das
empresas distribuidoras de energia elétrica junto aos clientes, principalmente, a nível Brasil,
com reduções de 47,53% (24,36 horas para 12,78 horas), na duração dos desligamentos das
redes de distribuição, e de 57,06% (22,64 vezes à 9,72 vezes), na frequência desses mesmos
desligamentos, desde a instituição dos indicadores, em 2001, à 2017. Além disso, o
monitoramento e inspeções constantes da Agência permitiu a melhoria contínua dos
procedimentos técnico-administrativos das distribuidoras e adequação dos seus investimentos
para a melhoria e manutenção de suas redes de distribuição de energia elétrica, através do
conceito de investimento certo e prudente, institucionalizado a partir de 2007. O
aprofundamento da regulamentação técnica, aliada às revisões periódicas em cada ciclo
tarifário, permitiu o desenvolvimento, nas empresas distribuidoras de energia elétrica, de uma
capacidade analítica assertiva nos serviços de manutenção e melhoramento das redes de
distribuição. A implantação dos Procedimentos de Distribuição, em 2008, com novas diretrizes
técnicas, e o Manual de Contabilidade do Setor Elétrico Brasileiro, atualizado em 2015, com
novo formato para a contabilidade das empresas do setor elétrico, foi determinante para a
reorganização de procedimentos e reestruturação gerencial nas empresas distribuidoras de
energia elétrica, de modo priorizar, estudar e implementar soluções assertivas em relação à
qualidade de energia elétrica, no âmbito serviço, sem desperdício de recursos humanos e
financeiros.
PALAVRAS-CHAVE: Distribuição, Qualidade do Serviço, Setor Elétrico Brasileiro.
181
MODELO PARA INDICAÇÃO DE ESCOLHA DE IMPLANTAÇÃO DE FONTE DE
ENERGIA RENOVÁVEL PARA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Eloá Carolina Nava Cardoso Palma
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Eduardo Paciência Godoy
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba
RESUMO Historicamente, o homem está atrelado à evolução energética e esta relação tornou-se elemento
essencial para suas atividades e pro alcance do desenvolvimento socioeconômico. Em função
da tecnologia e atividades onde a energia elétrica fazia-se requisito, criou-se uma dependência
energética cada vez maior para garantir a produção de bens de serviços, o bem estar doméstico
e o bem estar social. Este trabalho tem por objetivo detectar a melhor fonte de energia renovável
a ser instalada em uma determinada região, baseada em uma modelagem para auxílio na tomada
de decisão. A modelagem escolhida foi a lógica fuzzy, também conhecida por lógica difusa.
Os valores foram analisados por estados, sendo considerados todos os estados do Brasil. Nesta
avaliação consideraram-se cinco variáveis: Potencial eólico (medido em m/s), potencial solar
(kWh/m2), consumo (Mwh), investimento eólico e investimento solar, modeladas com valores
numéricos específicos para cada variável e com variáveis linguísticas comuns a todos (baixo,
médio e alto). Definidas as variáveis linguísticas, a base de dados e as regras, as inferências
foram criadas. Implementaram-se 243 regras do tipo Se (Consumo=medio) E
(PotencialEolico=baixo) e (PotencialSolar=medio) e (InvestimentoEolico=baixo) e
(InvestimentoSolar=baixo) ENTAO (FontePreferencial=Solar). Uma vez feito isso, uma
classificação de indicação de preferência para o uso de fontes de energia solar, eólica, híbrida
ou inviável é apresentada com base nos dados de entrada reais, extraídos do Instituto Nacional
de Meteorologia do Brasil. Como resultado parcial, esta modelagem propõe um modelo de
suporte a decisão baseada nos critérios prévios mencionados. A defuzzyficação foi feita por
centróide, tendo como uma de suas regras ativadas: Consumo= 158000; Potencial Eólico =
4,34; Potencial Solar= 15; Investimento Eolico = 3,69; Investimento Solar = 5; Fonte
preferencial = 0,237 (Solar). Analisando dados estatísticos da ANEEL, estes valores
aproximam-se do Estado do Tocantins, resultado coerente com o Atlas Solar e o Atlas Eólico
do estado.
PALAVRAS-CHAVE: Energias renováveis, lógica fuzzy, viabilidade fontes de energia.
182
MODELO MATEMÁTICO PARA OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA EM SISTEMAS
DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
Isabela Garcia Parras
Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. ª Dr. ª Edilaine Martins Soler
Orientadora – Depto de Matemática – Unesp – Bauru
RESUMO Os sistemas de abastecimento de água envolvem a captação, tratamento e distribuição de água.
Estes sistemas têm a função de levar água em quantidade e qualidade adequadas à população
para que suas necessidades sejam atendidas. Porém isso envolve o dispêndio de quantidades
muito significativas de energia elétrica já que os sistemas de abastecimento de água consomem
entre dois a três por cento da energia do mundo, sendo cerca de 95% do consumo de energia
elétrica atribuível aos sistemas de bombeamento. Assim, é muito relevante que as empresas de
saneamento possam diminuir seus gastos com energia elétrica, sem prejuízo no
abastecimento. Como o custo de energia elétrica é diferenciado ao longo das horas do dia, faz-
se necessário um planejamento do liga/desliga das bombas hidráulicas (e consequentemente do
volume de água nos reservatórios), para evitar que estas operem nos horários em que a energia
elétrica é mais cara (horários de ponta). Após visitas ao Sistema Autônomo de Água e Esgoto
de São Carlos, ficou constatada a presença de um conjunto de até 4 bombas por trecho.
Neste projeto, será proposto um modelo matemático de otimização mais próximo da realidade
dos sistemas de abastecimento brasileiros visando uma minimização dos gastos com energia
elétrica, bem como método de resolução para tal modelo.
PALAVRAS-CHAVE: Energia elétrica, Otimização, Bombas hidráulicas.
183
METODOLOGIA PARA VIRTUALIZAÇÃO DE SISTEMAS INDUSTRIAIS COM
FOCO NA INDÚSTRIA 4.0
Rodrigo Pita Rolle
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Eduardo Paciência Godoy
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Sorocaba
RESUMO Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia para virtualização de sistemas
industriais aderente à Indústria 4.0, considerando alguns dos principais requisitos do ambiente
industrial contemporâneo tais como ganho de desempenho, aumento da flexibilidade dos
processos, redução de tempos de parada e reprogramação, entre outros. A evolução da
computação e das ferramentas de simulação possibilita o uso de virtualização no ambiente
industrial, de forma que os modelos em software transcendam a mera função de etapa de projeto
e assumam a função de provedor de informação relevante para a avaliação do desempenho dos
equipamentos de campo. O desenvolvimento do trabalho está centrado numa ferramenta de
controle de processos que possui capacidade de comunicação com aplicativos de simulação e
também com microcontroladores, que são utilizados como interfaces para os sinais de entrada
e saída do processo de automação. Esta ferramenta é capaz de estabelecer comunicação através
de redes Ethernet/IP, viabilizando aplicações remotas e proporcionando escalabilidade à
plataforma. A metodologia será implementada e validada em estações modulares de automação
disponíveis nas instalações da UNESP Sorocaba, que servirão como os processos físicos. A
contraparte virtualizada será implementada por meio de modelos lógicos em softwares de
engenharia tais como MATLAB/Simulink ou LabVIEW. Serão identificados os parâmetros
normais de funcionamento para então implementar-se métodos para detecção de funcionamento
anormal em tempo de execução. Os dados gerados pelo sistema virtualizado servirão como
parâmetro de comparação com os sinais de entrada e saída do sistema real, de forma que se
possa identificar quaisquer anomalias ao longo do processo automatizado.
PALAVRAS-CHAVE: Virtualização, Indústria 4.0, Automação Industrial.
184
DESAGREGAÇÃO DE CARGAS E LUDIFICAÇÃO COMO FERRAMENTAS DE
CONSCIENTIZAÇÃO SOBRE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
Fernando Deluno Garcia
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafão
Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru
RESUMO Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um medidor cognitivo de energia
elétrica, enfatizando sua aplicação no setor residencial. Considerando que o comportamento do
consumidor tem grande impacto na demanda de energia elétrica e que isso pode ser modificado
com pequenas mudanças de hábito, o medidor cognitivo tem potencial para ser aplicado em
uma casa inteligente e disponibilizar um sistema de monitoramento e controle do consumo de
energia elétrica. Tal cenário é favorável para criação de serviços voltados para o consumidor,
principalmente com a utilização de dispositivos móveis no âmbito de Internet das Coisas.
Assim, tendo em vista o engajamento do consumidor residencial em relação aos seus hábitos
de consumo, o trabalho proposto faz uso do medidor de energia elétrica para criar uma
plataforma lúdica com objetivo de engajar o consumidor em questões relacionada à
racionalização do consumo de energia elétrica. Para tal, o medidor cognitivo realiza o processo
de desagregação de energia para determinar o consumo e o tempo de uso de cada
eletrodoméstico da residência. Tais informações são utilizadas em uma plataforma com
objetivo de engajar o consumidor a participar e cumprir tarefas que modifiquem seus hábitos,
resultando na redução do consumo de energia elétrica.
PALAVRAS-CHAVE: desagregação do consumo; medidor cognitivo de energia elétrica;
ludificação.
185
ÍNDICE DE AUTORES
Adilson Preto de Godoi ................................ 164
Alexander S. Maranho .................................. 149
André Gifalli ................................................ 135
Andréa Camila dos Santos Martins ................ 83
Augusto M. S. Alonso .................................. 171
Bruno Aguilar da Cunha ............................... 129
Bruno Albuquerque de Castro .......................... 8
Caio Cesar Policelli Amalfi .......................... 175
Camila Mara Nardello Mazal ....................... 157
Carine G. Távora ............................................ 25
Christielly Fernandes da Costa ..................... 179
Cláudio José Ribeiro da Silva ......................... 11
Dailhane Grabowski Bassinello ..................... 58
Daisy P. Silva ............................................... 138
Daniel Celso Daltin .......................................... 5
Daniel Zarpelão Porcel ................................... 95
Daniele F. Akiyoshi ...................................... 178
Danilo M. Caldas ............................................ 74
David C. Andrade ........................................... 54
Eduardo Abuhamad Petrocino ...................... 170
Elis Gonçalves .............................................. 111
Eloá Carolina Nava Cardoso Palma ............. 181
Fábio Isaac Ferreira ........................................ 40
Fabio Romano Lofrano Dotto ........................ 28
Felipe Aparecido Alexandre ......................... 174
Felipe Augusto Ferreira de Almeida ............ 141
Felipe Leite Paes .......................................... 105
Fernando Deluno Garcia............................... 184
Fernando Mascagna Bittencourt Lima ......... 176
Gabriela Fernanda Bregadioli ....................... 108
Gilmar Tolentino .......................................... 146
Graciliano Antonio Damazo ......................... 160
Guilherme Augusto Marabezzi Clerice ............ 2
Halley J. Braga da Silva ................................. 89
Heverton Bacca Sanches ................................ 49
Hilson Henrique Daum ................................... 61
Ireno G. Machado Junior ................................ 20
Isabela Garcia Parras ..................................... 182
Israel V. Ferreira ............................................. 51
Jeferson A. Bigheti .......................................... 43
Jefferson Aparecido Dias ................................ 22
Jéssica A. Delgado ........................................ 144
João Paulo de Lima ....................................... 126
José de Arimatéia O. Filho .............................. 92
José Rodrigo de Oliveira ............................... 123
Juliana Aline Galan Maginador .................... 172
Letícia Maria Miquelin ................................... 80
Luiz Carlos Marques Junior ............................ 46
Marcelo Nogueira Tirolli ................................ 99
Marco Akio Ikeshoji ....................................... 86
Marcos Messias dos Santos Junior .................. 34
Marielena F. Tófoli ....................................... 154
Marina Valença Alencar ............................... 117
Martin A. Aulestia Viera ............................... 173
Matheus Murback Angelo ............................. 102
Nilton José Saggioro ....................................... 14
Patricia Soyuri Yamaguchi ............................. 17
Paulo Afonso Ferreira Junior .......................... 64
Pedro de Oliveira C. Junior ............................. 31
Rafael Ramos de Souza................................. 114
Reinaldo Götz de Oliveira Junior .................. 177
Risomar de Andrade Alves Santos ................ 132
Rodolfo G. Machado ....................................... 67
Rodolfo Rodrigues Barrionuevo Silva ............ 77
Rodrigo Moura Juvenil Ayres ....................... 151
Rodrigo Pita Rolle ......................................... 183
Rogério Thomazella ........................................ 37
Thiago Xavier da Silva Palma....................... 180
Tiago Forti da Silva ........................................ 71
Tiago G. Cabana ........................................... 120
186
PROMOÇÃO, APOIO E SUPORTE
TÉCNICO
Promovido pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Faculdade de Engenharia – UNESP - Bauru