Estimação de parâmetros de sinais com saltos de magnitude, fase ou frequência com aplicações na calibração de unidades de medição fasorial - Martins, Marcelo Britto (2022)
A medição de sincrofasores através de Unidades de Medição Fasorial (UMFs), ou Phasor Measurement Units (PMUs), é uma das tecnologias chave para o desenvolvimento das chamadas redes elétricas inteligentes e vem sendo cada vez mais utilizada na prevenção de blecautes, na proteção, monitoramento e avaliação de distúrbios na rede, dentre outras possíveis aplicações [1]. Com a crescente inserção de fontes renováveis de energia e cargas não-lineares no sistema elétrico, a medição de grandezas elétricas se torna mais desafiadora, pela maior presença de distúrbios na rede [2]. Anomalias como harmônicos, inter-harmônicos, afundamentos de tensão e variações de frequência são condições adversas que podem provocar medidas de sincrofasores cuja confiabilidade está abaixo de limites aceitáveis para aplicações típicas. Por essa razão, nos últimos anos, a metrologia elétrica, tradicionalmente desenvolvida utilizando análise de sinais em regime estacionário, tem se voltado para a análise de sinais em regime dinâmico. Para isso, diversas ferramentas de análise de sinais têm sido utilizadas, com o objetivo de obter uma maior exatidão das medidas e menor tempo de resposta na medição de grandezas de interesse [3–9], ou ainda avaliar em tempo real a confiabilidade das medições [10–12]. Para a avaliação metrológica de PMUs, sistemas de calibração têm sido desenvolvidos nos últimos anos em alguns laboratórios nacionais de metrologia pelo mundo [13–16], dentre os quais o INMETRO, no Brasil [17 –20]. No contexto de medição de sincrofasores em regime dinâmico, é necessário o desenvolvimento de sistemas de calibração de PMUs capazes de reproduzir condições adversas tipicamente presentes em redes elétricas para, com isso, caracterizar metrologicamente PMUs em condições mais realísticas. Por sua vez, a avaliação dos próprios sistemas de calibração é tarefa que enseja o uso de técnicas de análise de sinais digitalizados adaptadas para regime dinâmico. Especificamente, nota-se uma preocupação crescente com a estimação local da frequência do sistema elétrico realizada por PMUs, em especial em redes com alta inserção de geração de energias renováveis [21, 22], cujos sistemas de proteção são particularmente sensíveis a erros nessas medidas. Nesta tese, no intuito de avançar o conhecimento acerca da estimação de sincrofasor e frequência do sistema elétrico em regime dinâmico, em especial aplicado a sistemas de calibração de PMUs, propomos e avaliamos ferramental apropriado para análise de sinais CA que contenham degraus de magnitude, fase e frequência. Em um primeiro momento, propomos um estimador paramétrico de fasor com um degrau de magnitude ou fase, usando o algoritmo de Levenberg–Marquardt [23, 24], em conjunto com definições de fasores intermediários para sinais CA com um degrau de magnitude ou fase [19]. Em seguida, realizamos trabalho pioneiro na proposição de detectores e estimadores de localização de saltos em degrau na magnitude, fase e frequência de um sinal CA, com base em análises de funções instantâneas de magnitude e fase do sinal analítico de Hilbert associado ao sinal CA [20]. Evoluímos então tais análises para o desenvolvimento de estimadores de frequência do sistema elétrico a partir de sinais CA com um degrau de magnitude, fase ou frequência. As técnicas de análise utilizadas no projeto dos estimadores de frequência do sistema elétrico propostos permitem, adicionalmente, estimar a altura do salto de frequência, o que nos permitiu também propor discriminadores de sinais CA contendo um degrau em frequência daqueles contendo degrau de magnitude ou de fase. Tal discriminação é particularmente desejável para melhorar o desempenho decisório em sistemas de proteção de redes com alta inserção de geração de energia a partir de fontes renováveis como eólica e solar. Em todos os casos, realizamos extensivas simulações de Monte Carlo para estimar erros médios e incertezas associados às medições realizadas por cada estimador proposto, bem como a sensibilidade de seu desempenho com relação a diversos parâmetros. Isso permite estimar a contribuição de cada estimador na incerteza total de um sistema de estimação de sincrofasor que o utilize. Finalmente, implementamos os estimadores propostos em protótipos de sistemas de calibração de PMUs no Laboratório de Metrologia em Energia Elétrica do INMETRO, o que nos permitiu estimar a incerteza total das medições, avaliar a adequabilidade dos equipamentos utilizados para a realização de testes padronizados e fornecer subsídios experimentais para discussões sobre o desenvolvimento da tecnologia de sincrofasores e possíveis revisões das normas relacionadas.