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Reduza a complexidade do modelo com a Modelagem de Ordem Reduzida no Simcenter


Os modelos são o núcleo de todas as técnicas baseadas em modelos para projeto, controle, otimização, simulação, etc. Modelos detalhados são o núcleo das atividades de projeto e podem ser complexos e lentos para serem computados. Como criar versões simplificadas e multifuncionais para dimensionar e implantar seu uso? A resposta são os Modelos de Ordem Reduzida (Reduced Order Models – ROMs).


ROMs são uma forma eficiente de reduzir a complexidade dos modelos e ampliar sua gama de aplicações. Eles são componentes-chave para diversas aplicações, como integração de modelos 3D em modelos 1D, aceleração de simulações, habilitação de gêmeos digitais e aplicações em tempo real, criação de sensores virtuais e proteção de IP (Propriedade Intelectual).


A aplicação de hoje mostrará como reduzir sistemas de energia elétrica usando a Modelagem de Ordem Reduzida do Simcenter. O sistema representado na Figura 1 representa um sistema de transmissão no qual a potência gerada (aqui representada pela fonte de tensão de entrada) é amplificada pelo transformador e transmitida à carga (bateria) através da linha de transmissão.


Aqui, a complexidade vem do modelo da linha de transmissão. Basicamente, para capturar bem os fenômenos transitórios, o modelo da linha de transmissão é discretizado no espaço onde cada trecho (aqui 50 trechos por 100 Km) é representado por um circuito simples, conforme mostrado na Figura 1. Quando o número de trechos aumenta, o modelo irá seja mais preciso, mas o número de variáveis ​​de estado aumentará. Isso torna todo o modelo bastante grande e consome muita memória.


Nesse contexto, o objetivo por trás da criação de uma ROM é:

  • Reduzir o número total de variáveis ​​de estado simplificando o modelo da parte de transmissão (transformador + linha de transmissão)

  • Reproduzir fielmente os fenômenos transitórios resultantes das diferentes interconexões

Isso será feito usando a Modelagem de Ordem Reduzida do Simcenter.


A ferramenta oferece várias maneiras de fazer ROMs: seja a partir de dados de simulação usando, por exemplo, técnicas de Redes Neurais e Modelos de Superfície de Resposta (RSM) ou modelos como matrizes de espaço de estados de um modelo linearizado como em nossa aplicação aqui.


Figura 1


Todo o processo pode ser resumido em algumas etapas:

  • Isole a parte de transmissão

  • Use a modelagem de pedido reduzido do Simcenter para criar uma ROM

  • Conecte a ROM ao resto do sistema

  • Verifique a precisão dos resultados

Vamos começar.

Passo 1:

Antes de fazer uma ROM, a parte de transmissão é desconectada do resto do sistema conforme mostrado na Figura 2 e linearizada usando o Simcenter Amesim. As variáveis ​​de entrada são a tensão de entrada do transformador, bem como as tensões na extremidade da linha de transmissão. Optou-se por considerar as tensões nos pontos de conexão como entradas e as correntes como saídas. Isso ajuda a estabelecer uma conexão física entre a ROM e o restante do modelo físico.


Figura 2


Agora estamos prontos para começar a fazer uma ROM.

Passo 2:

A segunda etapa consiste em carregar os dados de linearização (matrizes) no Simcenter Reduced Order Modeling, computar um modelo reduzido, avaliá-lo e exportá-lo. Vamos ver como isso funciona.


A primeira etapa é abrir o Simcenter Reduced Order Modeling e criar um projeto de espaço de estados conforme ilustrado abaixo.



Em seguida, carregue o modelo linearizado criado antes de usar o botão Adicionar dados. Ao selecionar o modelo Simcenter Amesim da parte de transmissão, todos os modelos linearizados computados são propostos. Vamos escolher aquele calculado em 1 segundo.



A Figura 5 mostra as propriedades do modelo carregado.


Figura 5


Agora, vamos para a aba do modelo e fazer uma ROM. Ao clicar no botão Novo modelo, são propostos diferentes tipos de modelos. Aqui, estamos lidando com um modelo de tamanho médio com 104 variáveis ​​de estado. Nesse caso, o Truncamento Balanceado é um bom candidato.


Ao clicar no botão iniciar, uma ROM é computada e avaliada automaticamente. Uma ordem de truncamento de 58 é proposta aqui com base nos valores singulares de Hankel do modelo. A ferramenta indica um índice geral de fidelidade de 86%. Observando o gráfico de resposta em frequência, pode-se ver que a ROM cobre uma grande largura de banda de frequência (até 2,6 kHz) do modelo original, o que é bom o suficiente para nossa aplicação.



A próxima etapa é salvar o modelo computado usando o recurso Adicionar modelo conforme ilustrado abaixo.




O modelo computado sendo salvo, vamos até a aba Exportar e exportá-lo.

Passo 3

Para lidar com diversas aplicações, são propostos quatro alvos ao exportar ROMs de espaço de estados. Eles permitem a conexão tanto com o Simcenter Amesim quanto com outras ferramentas de simulação usando, por exemplo, FMUs (Functional Mock-up Units) para cosimulação ou arquivos binários.


Aqui, a ROM computada é exportada como um submodelo Simcenter Amesim.



De volta ao Simcenter Amesim, vamos agora conectar a ROM exportada (disponível na biblioteca de ROM especificada no estágio de exportação) ao restante do sistema de energia, conforme ilustrado na Figura 9. Duas defasagens de primeira ordem com frequência de corte de 2,5 kHz são adicionados para manter os sinais dentro da faixa de frequência de interesse (até 2,6 kHz). Nosso sistema de potência reduzida agora possui 62 variáveis ​​de estado em comparação com 106 para o sistema de potência total representado na Figura 1. O tamanho total do modelo original é então reduzido em 41,5 %.


Quase pronto! Tudo o que resta agora é validar a ROM comparando os resultados completos da simulação (Figura 1) e os modelos reduzidos do sistema de potência (Figura 9).


Figura 9

Passo 4

Ambos os sistemas de potência representados nas Figuras 1 e 10 são simulados por 2 s com um solucionador de passo variável usando o Simcenter Amesim.


A Figura 10 mostra a tensão de entrada da bateria, bem como seu estado de carga.


Figura 10


Os resultados mostram uma alta qualidade de ajuste com menos variáveis ​​de estado (62 em comparação com 106). Isso se reflete nas métricas de fidelidade (fidelidade geral de 86 %) indicadas pelo Simcenter Reduced Order Modeling. Em termos de usabilidade, a ROM obtida pode ser utilizada como gêmeo digital da parte de transmissão. Também pode ser partilhado entre diferentes parceiros que trabalham na mesma aplicação e possivelmente utilizam diferentes ferramentas de simulação.


Conclusão

Foi mostrado aqui como reduzir sistemas de energia elétrica usando Simcenter Reduced Order Modeling. Ele permite minimizar facilmente o número de variáveis ​​de estado de um sistema de potência criando uma ROM de sua parte de transmissão. Isto tem muitas vantagens:

  • Ele amplia o escopo do modelo, tornando-o menos consumidor de memória

  • Permite compartilhar modelos com diferentes parceiros preservando o IP

  • Ele permite prototipagem e design rápidos

Para isso, o Simcenter Reduced Order Modeling oferece ótimos recursos para criar facilmente uma ROM para um modelo de espaço de estados de grande escala. O fluxo de trabalho é simples e intuitivo, com a possibilidade de avaliar facilmente a fidelidade da ROM com base em diferentes indicadores de fidelidade. A ferramenta também oferece diferentes alvos de exportação para atender a todos os usos possíveis, para que a ROM computada possa ser usada em diferentes contextos.

 

Em resumo, a Modelagem de Ordem Reduzida do Simcenter oferece uma abordagem eficaz para simplificar modelos em sistemas de energia elétrica. Ao seguir o processo delineado, é possível obter eficiência computacional e facilitar o compartilhamento de modelos, proporcionando a capacidade de prototipagem e design rápidos.


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