[pt] Turbinas a gás são equipamentos muito complexos e caros. No caso de falha em uma turbina, há obviamente perdas diretas, mas as indiretas são normalmente muito maiores, uma vez que tal equipamento é crítico para a operação de instalações industriais, aviões e veículos pesados. Portanto, é fundamental que turbinas a gás sejam providas com um sistema eficiente de monitoramento e diagnóstico. Isto é especialmente relevante no Brasil, cuja frota de turbinas tem crescido muito nos últimos anos, devido, principalmente, ao aumento do número de usinas termelétricas e ao crescimento da aviação civil. Este trabalho propõe um Sistema de Inferência Fuzzy (SIF) com extração automática de regras para diagnóstico de desempenho de turbinas a gás aeronáuticas. O sistema proposto faz uso de uma abordagem residual – medições da turbina real são comparadas frente a uma referência de turbina saudável – para tratamento dos dados brutos de entrada para os módulos de detecção e isolamento, que, de forma hierárquica, são responsáveis por detectar e isolar falhas em nível de componentes, sensores e atuadores. Como dados reais de falhas em turbinas a gás são de difícil acesso e de obtenção cara, a metodologia é validada frente a uma base de dados de falhas simuladas por um software especialista. Os resultados mostram que o SIF é capaz de detectar e isolar corretamente falhas, além de fornecer interpretabilidade linguística, característica importante no processo de tomada de decisão no contexto de manutenção. / [en] A Gas turbine is a complex and expensive equipment. In case of a failure indirect losses are typically much larger than direct ones, since such equipment plays a critical role in the operation of industrial installations, aircrafts, and heavy vehicles. Therefore, it is vital that gas turbines be provided with an efficient monitoring and diagnostic system. This is especially relevant in Brazil, where the turbines fleet has risen substantially in recent years, mainly due to the increasing number of thermal power plants and to the growth of civil aviation. This work proposes a Fuzzy Inference System (FIS) with automatic rule extraction for gas path diagnosis. The proposed system makes use of a residual approach – gas path measurements are compared to a healthy engine reference – for preprocessing raw input data that are forwarded to the detection and isolation modules. These operate in a hierarchical manner and are responsible for fault detection and isolation in components, sensors and actuators. Since gas turbines failure data are difficult to access and expensive to obtain, the methodology is validated by using a database fault simulated by a specialist software. The results show that the SIF is able to correctly detect and isolate failures and to provide linguistic interpretability, which is an important feature in the decision-making process regarding maintenance.

[pt] Os segmentos de geração, transmissão e distribuição constituem a cadeia produtiva do setor elétrico, sendo o consumidor ou carga o último elo que deve ser atendido pelas distribuidoras. A percepção de qualidade, e consequentemente a satisfação do cliente, está intrinsecamente relacionada, entre outros fatores, à continuidade do fornecimento assegurada pelas concessionárias. No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) é responsável por regular o setor de distribuição e estabelecer indicadores de referência com o objetivo de avaliar a eficiência das concessionárias em termos de confiabilidade e qualidade do serviço prestado. Diversos fatores podem impactar a continuidade da distribuição de energia, sendo alguns mais conhecidos e gerenciáveis pelas empresas, como quedas de objetos na rede ou sobrecarga de equipamentos. No entanto, outros fatores, como restrições de acesso a determinadas áreas devido à violência e ao controle territorial por grupos criminosos, apresentam desafios complexos e de gerenciabilidade inexistente por parte das distribuidoras. Essas limitações dificultam a pronta recomposição do serviço em situações emergenciais, resultando em tempos de falha mais longos e afetando negativamente os indicadores de continuidade monitorados pela ANEEL, bem como a satisfação do consumidor. Neste contexto, a presente dissertação propõe uma metodologia focada em identificar os ativos da distribuidora localizados em áreas com evidências de violência, o que implica em acesso limitado pelas equipes de campo. É utilizada a base de dados geográfica da distribuidora (BDGD) para identificar as unidades transformadoras em áreas com evidências de violência, também delineadas por plataformas de dados públicos. Técnicas de clusterização e testes estatísticos são então utilizados para aferir se os índices de continuidade nessas áreas são significativamente diferentes e superiores aos de locais em que não se observa registros de violência. Sistemas de distribuição dos estados do Rio de Janeiro e Pernambuco são utilizados para testar a eficácia da metodologia proposta. Diversos testes são realizados e os resultados obtidos são plenamente discutidos. / [en] The segments of generation, transmission and distribution constitute the production chain of the electricity sector, with the consumer or load being the last link that must be served by the distributors. The perception of quality, and consequently customer satisfaction, is intrinsically related, among other factors, to the continuity of supply ensured by the concessionaires. In Brazil, the National Electric Energy Agency (ANEEL) is responsible for regulating the distribution sector and establishing benchmarks in order to assess the efficiency of concessionaires in terms of reliability and quality of service provided. Several factors can impact the continuity of energy distribution, some of which are better known and manageable by companies, such as falling objects on the network or overloading equipment. However, other factors, such as access restrictions to certain areas due to violence and territorial control by criminal groups, present complex challenges and non-existent manageability on the part of the distributors. These limitations make it difficult to promptly restore the service in emergency situations, resulting in longer failure durations and negatively affecting the continuity indicators monitored by ANEEL, as well as consumer satisfaction. In this context, this dissertation proposes a methodology focused on identifying the distributor s assets located in areas with evidence of violence, which implies limited access by field service teams. The distribution company s geographic database (BDGD) is used to identify transforming units in areas with evidence of violence, also delineated by public data platforms. Clustering techniques and statistical tests are then used to assess whether the continuity indices in these areas are significantly different and higher than those in places where there are no records of violence. Distribution systems in the states of Rio de Janeiro and Pernambuco are used to test the effectiveness of the proposed methodology. Several tests are carried out and the results obtained are fully discussed.

[pt] A reserva girante é a parcela da geração que deve estar sincronizada, ou que seja possível sincronizar em tempo hábil, de forma a repor a perda de unidades de geração, suprir acréscimos de demanda devido aos erros de previsão, ou ainda lidar com possíveis flutuações na capacidade de geração de fontes renováveis. Desta forma, é crucial que tal parcela esteja dimensionada de modo a suprir tais necessidades de forma adequada. Para tal, deve-se considerar o perfil da demanda do sistema e também as características do sistema de geração. Estimativas imprecisas da carga elétrica podem levar a ocorrências de cortes de carga. Da mesma forma, um superdimensionamento da reserva pode ter como consequência custos excessivos para o consumidor de energia. Uma representação aceitável para carga é considerá-la como uma variável aleatória. Este tipo de modelagem permite que o valor do pico de carga estimado tenha suas incertezas intrinsecamente consideradas. Assim, considerando as variabilidades inerentes à demanda e à geração, é então possível estimar o risco de não suprimento do sistema por meio de métodos baseados em Simulação Monte Carlo (SMC). Tais métodos têm como principal vantagem uma relativa robustez para avaliação de índices que mensuram numericamente o nível de confiabilidade do sistema: e.g., LOLP (loss of load probability). Nesta dissertação será avaliado o impacto das incertezas associadas à demanda, à variabilidade das fontes renováveis e às falhas em equipamentos no dimensionamento da reserva de geração no âmbito da operação de sistemas elétricos. Serão empregadas técnicas baseadas em SMC para avaliar os níveis de confiabilidade, considerando diversas possibilidades de representação da carga em sistemas multiárea. Dentre os cenários testados e discutidos, calculam-se índices de risco para o sistema e por áreas, para avaliar se o sistema é confiável não apenas como um todo, mas também em cada uma de suas regiões operativas. Para avaliar a metodologia proposta, são realizados testes com o sistema IEEE-RTS (Reliability Test System) de modo a responder se os índices de risco por área/sistema estão dentro de níveis aceitáveis. Por fim, é avaliado também o efeito da inserção de fontes renováveis intermitentes na reserva do sistema. / [en] The spinning reserve is the generation quota that must be synchronized (or that can be synchronized in a timely manner) with the aim to restore the loss of generation units, to supply increases in demand due to forecast errors, or to cope with generation capacity fluctuations of renewable sources. Thus, it is crucial that such amount is defined so as to adequately meet the required needs. For this, the system load profile and also the generating system characteristics must be duly considered. Inaccurate estimates of electrical demand can lead to the occurrence of load shedding. Similarly, overinvestment in capacity reserve may result in excessive costs to electric energy consumers. An acceptable representation for the load profile is to consider it as a random variable. This type of modeling allows the estimated peak load value to have its uncertainties intrinsically considered. Therefore, considering the inherent variability of demand and generation, it is then possible to estimate the risk of not supplying the system load through methods based on Monte Carlo simulation (SMC). Such methods have as their main advantage a relative robustness for evaluating indices that numerically measure the reliability level of the system; e.g., LOLP (loss of load probability). In this dissertation, the impact of uncertainties associated with demand, the variability of renewable sources and equipment failures will be evaluated in order to size the amount of generating reserve, within the scope of the operation of electric systems. SMC techniques are used to evaluate the reliability levels, considering several possibilities of load representation in a multi-area system. Among different scenarios analyzed, risk indices are calculated for system and areas, in order to assess whether the grid is reliable as a whole and also for all operating regions. In order to evaluate the proposed methodology, tests are performed with the IEEE-RTS (Reliability Test System) to respond if the area/system risk indices are within acceptable levels. Finally, the effect of inserting intermittent renewable sources into the system reserve is also discussed.

[pt] O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um otimizador eficiente de grande escala, que permita a aplicabilidade prática da Análise Limite Numérica pelo MEF, para resolver problemas reais da Engenharia Geotécnica. Para isto, foi desenvolvido um otimizador para o programa GEOLIMA (GEOtechnical LIMit Analysis) (Carrión, 2004) baseado no algoritmo de Pontos Interiores, computacionalmente mais eficiente que os otimizadores comerciais existentes. Pelo fato das propriedades do solo serem de natureza aleatória, a possibilidade de aplicar Análise de Confiabilidade com a Análise Limite pelo método FORM em problemas geotécnicos é pesquisada também. Sendo a grande vantagem do método FORM a possibilidade de se aplicar para funções de falha quaisquer e variáveis com distribuição quaisquer. Inicialmente, são apresentados os fundamentos da teoria de Análise Limite e sua formulação numérica pelo MEF (Método dos Elementos Finitos). A seguir, é investigada a possibilidade de se usar otimizadores comerciais para resolver o problema matemático resultante da aplicação de Análise Limite com o MEF e são descritos os fundamentos teóricos do otimizador implementado baseado no algoritmo de Pontos Interiores. Um resumo dos fundamentos teóricos da Análise de Confiabilidade é apresentado. É descrito o processo de cálculo pelo método FORM e dois exemplos de aplicação são realizados. Finalmente, análises de diferentes problemas resolvidos com o otimizador implementado são apresentados indicando o grande potencial da Análise Limite Numérica, na solução de problemas reais da Engenharia Geotécnica. / [en] This work has, as its main objective, the development of an efficient and large scale optimizer, that allows the practical application of Numerical Limit Analysis (NLA) with Finite Element Method (FEM) to solve real problems in Geotechnical Engineering. For that purpose, an optimizer was developed for GEOLIMA (GEOtechnical LIMit Analysis) program (Carrión, 2004), based on Interior Points algorithm, computationally more efficient than the existing commercial optimizers. Due to the fact that soils have random properties, the possibility to apply Reliability Analysis with Limit Analysis using the FORM method was also investigated. Initially, Limit Analysis theory was presented together with its numerical formulation using the FEM. In sequence, the use of commercial optimizers was investigated in order to solve the resulting mathematical problem. Subsequently, the theorical foundations of the developed optimizer, based on the Interior Points algorithm were described. A summary of Reliability Analysis was also presented together with a description of computational procedures using FORM and two examples were developed. Finally, analyses of different problems solved with developed optimizer were presented. The obtained results demonstrated the great potential of Numerical Limit Analysis (NLA), in the solution of real problems in Geotechnical Engineering.

[pt] A Manutenção e Inspeção Baseada em Risco (IBR) compreende a utilização de ferramentas de cálculo de engenharia como análise estrutural por elementos finitos, análise de corrosão e fadiga, análise de risco e confiabilidade estrutural, de forma integrada, a fim de elaborar os planos de inspeção de maneira racional otimizada. No caso de inspeção de balsas para serviço offshore, particularmente da estrutura do convés principal da balsa, técnicas de análise de risco podem ser aplicadas para que se possam determinar os intervalos de inspeção de cada elemento da estrutura. Como resultado final, tem-se um plano de inspeção otimizado e aplicado à realidade estrutural da unidade. A presente dissertação tem por objetivo propor um método de predição baseado em IBR para aperfeiçoamento de processos de tomada de decisão referentes à manutenção de balsas para serviço offshore de uma grande empresa brasileira do setor de petróleo e gás natural. Apresenta-se um estudo de caso focalizando uma aplicação do método de predição em uma das balsas de serviço offshore da empresa – a Balsa de Serviço 3 (BS-3). Os resultados do estudo de caso permitem afirmar que a adoção de ferramentas de inspeção baseada em risco podem aumentar o TLV (Tempo Limite de Vida) das balsas de serviço offshore. Como consequência, os benefícios potenciais são: redução das incertezas associadas; identificação de avarias devido à deterioração estrutural; redução de custos de manutenção; e, principalmente, diminuição do tempo da paralisação das balsas de serviço. / [en] Risk-Based Inspection (RBI) involves the use of engineering calculation tools such as finite element structural analysis, corrosion and fatigue analysis, risk analysis and structural reliability in an integrated framework, in order to develop inspection plans in a rational and optimized manner. RBI attempts to map the structure degradation curve, in deterministic or probabilistic way. Once defined the degradation curve for the different areas of the structure, risk analysis techniques are applied to determine inspection intervals concerning each element of the structure. As final result, it is possible to obtain an optimized inspection plan applied to the structural reality of the unit. The objective of this dissertation is to propose a prediction method, based on RBI, to improve the decision-making process focusing on maintenance of offshore service barges of a large oil and gas company in Brazil. It presents a case study concerning an application of this prediction method in one of the offshore service barges of this company – Offshore Service Barge 3 (BS-3). The results show that the adoption of preventive inspections can enlarge the TLV (Time Limit of Life) of this type of unit. As a consequence, the potential benefits are: reduction of uncertainties; identification of faults due to structural deterioration; maintenance costs reduction; and, decreasing of time breakdowns concerning barge services.

[pt] A reserva girante é a parcela da reserva operativa provida por geradores sincronizados, e interligados à rede de transmissão, aptos a suprir a demanda na ocorrência de falhas de unidades de geração, erros na previsão da demanda, variações de capacidade de fontes renováveis ou qualquer outro fator inesperado. Dada sua característica estocástica, essa parcela da reserva operativa é mais adequadamente avaliada por meio de métodos capazes de representar as incertezas inerentes ao seu dimensionamento e planejamento. Por meio do risco de corte de carga é possível comparar e classificar distintas configurações do sistema elétrico, garantindo a não violação dos requisitos de confiabilidade. Sistemas com elevada penetração de fontes renováveis apresentam comportamento mais complexo devido ao aumento das incertezas envolvidas, à forte dependência de fatores energético-climáticos e às variações de capacidade destas fontes. Para avaliar as correlações temporais e representar a cronologia de ocorrência dos eventos no curto-prazo, um estimador baseado na Simulação Monte Carlo Quase Sequencial é apresentado. Nos estudos de planejamento da operação de curto-prazo o horizonte em análise é de minutos a algumas horas. Nestes casos, a ocorrência de falhas em equipamentos pode apresentar baixa probabilidade e contingências que causam corte de carga podem ser raras. Considerando a raridade destes eventos, as avaliações de risco são baseadas em técnicas de amostragem por importância. Os parâmetros de simulação são obtidos por um processo numérico adaptativo de otimização estocástica, utilizando os conceitos de Entropia Cruzada. Este trabalho apresenta uma metodologia de avaliação dos montantes de reserva girante em sistemas com participação de fontes renováveis, em uma abordagem multiárea. O risco de perda de carga é estimado considerando falhas nos sistemas de geração e transmissão, observando as restrições de transporte e os limites de intercâmbio de potência entre as diversas áreas elétricas. / [en] The spinning reserve is the portion of the operational reserve provided by synchronized generators and connected to the transmission network, capable of supplying the demand considering generating unit failures, errors in load forecasting, capacity intermittency of renewable sources or any other unexpected factor. Given its stochastic characteristic, this portion of the operating reserve is more adequately evaluated through methods capable of modeling the uncertainties inherent in its design and planning. Based on the loss of load risk, it is possible to compare different configurations of the electrical system, ensuring the non-violation of reliability requirements. Systems with high penetration of renewable sources present a more complex behavior due to the number of uncertainties involved, strong dependence of energy-climatic factors and variations in the capacity of these sources. In order to evaluate the temporal correlations and to represent the chronology of occurrence of events in the short term, an estimator based on quasi-sequential Monte Carlo simulation is presented. In short-term operation planning studies, the horizon under analysis is from minutes to a few hours. In these cases, the occurrence of equipment failures may present low probability and contingencies that cause load shedding may be rare. Considering the rarity of these events, risk assessments are based on importance sampling techniques. The simulation parameters are obtained by an adaptive numerical process of stochastic optimization, using the concept of Cross Entropy. This thesis presents a methodology for evaluating the amounts of spinning reserve in systems with high penetration of renewable sources, in a multi-area approach. The risk of loss of load is estimated considering failures in the generation and transmission systems, observing the network restrictions and the power exchange limits between the different electric areas.