(*) Av. Barbacena, n˚ 1200 – 20° andar – ala A2 – CEP 30.190-131 – Belo Horizonte, MG – Brasil Tel: (+55 31) 3506-2963 – Fax: (+55 31) 3506-2963 – Email: caxandre@cemig.com.br DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA XXX.YY 22 a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO XV
GRUPO DE ESTUDO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO E TELECOMUNICAÇÃO PARA SISTEMAS ELÉTRICOS - GLT
USO DE TECNOLOGIA WIRELESS PARA CONTROLE E SUPERVISÃO DE INFORMAÇÕES EM TEMPO REAL NA OPERAÇÃO DE LINHAS AÉREAS DE ENERGIA.
Carlos A. M. Do Nascimento(*)1, Antonio Carlos de Castro1, Moisés Ferber de V. Lessa2 e João A. de Vasconcelos2
1CEMIG DISTRIBUIÇÃO S. A. 2UFMG – UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS LABORATÓTIO DE COMPUTAÇÃO EVOLUCIONÁRIA
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um software de aquisição em tempo real das informações operativas de linhas aéreas de energia a partir de sensores Power Donut2, instalados diretamente nos condutores e utilizando tecnologia wireless. A tecnologia de monitoramento de linhas de energia está sendo utilizada para maximizar a capacidade de transmissão dessas instalações em até 10%. Neste trabalho será demonstrado como a tecnologia GSM/GPRS tem auxiliado a tecnologia de monitoramento de linhas aéreas. A arquitetura e o desenvolvimento da base computacional em Java para o monitoramento dos dados vindos diretamente dos condutores no campo também são apresentados.
PALAVRAS-CHAVE
Linhas de Transmissão, Monitoramento, GPRS, Linux, Java, Software Livre 1.0 - INTRODUÇÃO
A engenharia de monitoramento de linhas aéreas de energia vem se desenvolvendo por meio do uso de tecnologias de sensoreamento remoto, as quais objetivam em uma das suas diversas possibilidades, medir a mudança de estado dos condutores aéreos, e melhor ainda, se possível, nos vãos críticos das linhas aéreas. Essa mudança de estado é causada pela variação de temperatura no condutor e, conseqüentemente, variação na altura do condutor ao solo para uma dada corrente elétrica, que está diretamente relaciona à capacidade térmica do condutor (1). A partir do monitoramento das condições dinâmicas dos condutores é possível operar o sistema elétrico com informações precisas de campo. A capacidade térmica do condutor é definida na fase do projeto eletromecânico da linha aérea para uma dada corrente elétrica (I), que por sua vez, está associada a uma dada condição climatológica constante, conforme mostra a Figura 1.
Figura 1. Variáveis: Corrente elétrica (I), Temperatura do condutor (T), Força mecânica (F) e Altura ou Distância do condutor ao solo (D)
A temperatura T0 define a temperatura de lançamento do condutor da linha, sem corrente elétrica. A temperatura T1 define a temperatura de projeto. A temperatura Tmax define a temperatura no limite máximo de operação do condutor. As temperaturas T0, T1 e Tmax se correlacionam respectivamente, às distâncias do condutor ao solo D0, D1 e Dmin, e aos esforços mecânicos associados F0, F1 e Fmin. As Figuras 2a, 2b e 2c mostram três sistemas de monitoramento disponíveis no mercado que monitoram, respectivamente, a temperatura superficial do condutor (Sistema Power Donut), a força (sistema CAT1) e a altura do condutor ao solo (sistema Sonar) (2).
Figura 2. Sensores utilizados para monitorar linhas aéreas em tempo real.
Como as informações climatológicas variam constantemente, as informações monitoradas no campo devem ser transmitidas em tempo real, por meio de sistemas de telecomunicações até um centro de controle, onde algoritmos específicos tratam as informações e calculam as capacidades, utilizada e a disponível, das linhas aéreas em tempo real. A possibilidade de aumento de capacidade de transmissão na linha aérea resulta da análise entre os valores calculados em projeto (parâmetros climatológicos constantes) e os valores reais medidos em campo. Esse ganho aferido pelo uso de condições climáticas reais motiva a aplicação desses sensores nas linhas aéreas. Outro motivador para o uso dessa tecnologia está relacionado à desregulamentação do setor de energia e à dificuldade de expansão das linhas novas, uma vez que, aumentou nos últimos anos o interesse das empresas e dos órgãos reguladores para a possibilidade de explorar melhor a capacidade de transmissão das linhas aéreas em operação. Algumas barreiras para a expansão dos sistemas de monitoramentos nas linhas devem ser vencidas e esbarram em três fatores principais, tais como:
• Custo elevado de aquisição dos sistemas de monitoramento (são todos eles importados)
• Custo do acesso do meio de comunicação até o centro de controle. Normalmente, os locais onde são instalados os sensores são longínquos do centro de controle e sem infra-estrutura de tensão comercial em 127 Vac.
• Falta de sistema computacional para armazenamento e processamento das informações em tempo real e para tratamento das informações pelos diversos sistemas de monitoramento disponíveis no mercado. Um sistema de monitoramento em tempo real de linhas possui três grupos operando de forma interligada, tais como: o grupo de sensores, o meio de comunicação e o sistema computacional de análise das informações. Os sensores são os elementos que medem a grandeza física no campo através de um transdutor para medição direta ou indireta no condutor da linha. O meio de comunicação está acoplado à saída do sensor (transdutor) para transmitir as informações até o ponto de processamento, que necessita estar constantemente disponível para comunicar as informações. O sistema computacional é responsável pelo processamento das informações para: controle, análises, cálculos, previsões e alarme. A Figura 3 mostra um diagrama simplificado de bloco com os três grupos fundamentais em monitoramento de linhas.
Figura 3 - Diagrama macro de um sistema genérico de monitoramento de linhas aéreas. Sensor e Transdutor
Meio de Comunicação
Algoritmos Linha Aérea
Na prática, o monitoramento de linhas aéreas não é uma tarefa trivial como parece ser, devido às suas características específicas do ambiente da instalação em campo, tais como: (i) os pontos de monitoramento não possuem energia para alimentar os sistemas elétricos e eletrônicos, usam-se baterias automotivas recarregáveis por energia solar, (ii) os locais de supervisão são geralmente em posições de difícil acesso na linha, (iii) os sensores estão constantemente expostos à alta tensão e aos campos elétrico e magnético do condutor, o que necessita de blindagem dos sensores, e mais recentemente (iv) sujeito ao vandalismo.
1.1 Tratamento das Informações
Os sistemas de monitoramento visam à medição de grandezas relacionadas com os parâmetros das linhas de transmissão, que permite calcular a flecha ou altura do condutor num determinado ponto da linha. Normalmente, estes sistemas vêm acompanhados de programas computacionais proprietários que recebem os dados medidos em um formato padrão e os traduzem para um formato via protocolo proprietário e fechado. Em que pese à comercialização dos sensores e dos sistemas computacionais em diversos países, alguns inconvenientes podem-lhes ser atribuídos quando instalados no Brasil, como por exemplo, a dificuldade e o custo da manutenção devido à distância do fornecedor e ao programa que traduz os dados, por impossibilidade ou pelo elevado custo de aquisição para acesso ao seu código-fonte, evidentemente, de propriedade do fabricante. Outro grande problema é que os programas apenas lêem e armazenam os dados de um único sistema de monitoramento, e ainda, não fazem nenhuma interpretação com análise crítica das medições. Tendo em vista o elevado custo de aquisição destes equipamentos importados, poucos fornecedores e, principalmente, a sua larga possibilidade de aplicabilidade, um programa de computador foi desenvolvido (3) para receber e interpretar as medidas adquiridas com as seguintes funcionalidades: (i) monitorar qualquer grandeza do condutor da linha de transmissão e de qualquer tipo de sistema e (ii) mostrar os resultados em forma de gráficos e tabelas por meio de uma plataforma de dados em ambiente livre na WEB. Essa arquitetura básica está representada pela Figura 4. Pode-se observar que a estrutura da base de informações é similar a uma modelagem orientada a objetos. Dessa forma, através de uma mesma interface no SMLT – sistema de Monitoramento de Linhas de Transmissão (4) é possível monitorar várias linhas de transmissão, onde cada linha pode conter vários tipos de sistema de monitoramento disponível no mercado mundial que tende a aumentar a concorrência no mercado de sistemas de monitoramento de linhas.
Figura 4 - Arquitetura básica do sistema SMLT. 1.2 Interface de Visualização das Informações
Para demonstrar um exemplo prático da interface do SMLT é mostrada na Figura 5 a tela gráfica de monitoramento dos dados capturados via GPRS do sistema Power Donut-2. O uso adequado dessa tela gráfica pelo operador do sistema elétrico é o estado da arte na supervisão em tempo real de linhas de transmissão na visão dos autores. Basicamente, o operador do sistema visualiza quais são os limites definidos na fase de projeto da linha de transmissão, isto é, as constantes C1, C2, C3 e C4 que correspondem respectivamente a: C1- Carga Inicial, C2-Carga Leve, C3-Carga Pesada e C4-Carga em Emergência. Essas constantes de carga ou limites são interpretadas pelo SMLT, dependendo de qual tecnologia de monitoramento está em uso na linha, como por exemplo: (i) corrente elétrica e (ii) temperatura do condutor. Outra funcionalidade verificada na Figura 5 é a
Cat-1
Power Donut-2
Qualquer outro tipo
de sistema de
monitoramento
VFlecha
SOMLT
Linha Transmissão 1 Linha Transmissão 2 Linha Transmissão NSMLT
Visualização da Capacidade das Linhas em Tempo Realpossibilidade de flexibilizar a operação diária do sistema elétrico por meio da previsão numérica do comportamento do perfil térmico do condutor da linha, isto é, as próximas 24 horas de monitoramento.
Figura 5 - Interface gráfica utilizada pelo operador do sistema elétrico no SMLT com os dados do sistema Power Donut-2 via GPRS.
2.0 - DESENVOLVIMENTO DA ARQUITETURA PARA O SISTEMA POWER DONUT-2
A plataforma computacional do sistema Power Donut-2 Stand Alone foi desenvolvida pela UFMG (5) na linguagem Java, podendo ser executada nos principais sistemas operacionais disponíveis no mercado, como a plataforma Linux e com a tecnologia de desenvolvimento livre. Dessa forma, vários sensores Power Donut-2 comunicam-se com o mesmo servidor em diferentes threads e os dados coletados podem ser novamente retransmitidos para outra aplicação, sendo executada em outra máquina no protocolo IP. O uso do framework iBatis para a inserção dos valores coletados no banco de dados possibilita a facilidade de armazenamento dos dados no banco MySQL por meio de poucas configurações em arquivos XML, que são arquivos externos à aplicação JAVA. Isso exclui a necessidade de recompilação da aplicação e facilita a configuração dos sistemas remotos instalados no campo. Paralelamente, já dentro da rede de armazenamento das informações, um arquivo de log tipo texto é gravado na base de coleta de dados em tempo real. A Figura 6 apresenta um diagrama simplificado da arquitetura geral para aquisição dos dados em tempo real por meio dos sensores instalados em campo até os centros de controle da Cemig e da UFMG. Duas partes distintas da arquitetura do sistema são mostradas a seguir.
2.1 Arquitetura da Solução nos Sensores
Cada sensor Power Donut-2 possui um módulo GSM com tecnologia GPRS de transmissão de dados. O cartão SIM da operadora de telefonia móvel deve suportar GPRS/APN e instalado junto ao sensor na linha de transmissão. O sensor Power Donut-2 deve ser configurado previamente com um endereço IP, uma porta TCP/IP e dados do serviço APN da operadora de telefonia móvel. O sistema computacional embarcado nos sensores, Firmware, é proprietário e o usuário tem acesso somente à configuração de alguns parâmetros, tais como, comunicação IP e calibração. A comunicação entre o sensor Power Donut-2 e a aplicação Stand Alone inicia-se quando os sensores são montados nos condutores de uma linha energizada e com um valor mínimo de corrente ou quando são ligados e sua bateria possui uma carga mínima. O sensor envia uma mensagem e a conexão TCP/IP via socket é estabelecida. Em seguida, a aplicação Power Donut Stand Alone envia mensagens periodicamente, requisitando as medições das grandezas físicas do condutor, por exemplo, corrente, tensão fase-fase, potência, temperatura do condutor e inclinação do cabo.
Histórico Previsão
C4 C3
C2 C1
Figura 6. Diagrama simplificado com a arquitetura da base de informações para aquisição dos dados em tempo real na Cemig e na UFMG.
2.2 Arquitetura da Solução na Base de Dados - Servidor
A arquitetura dos dados nos servidores está representada de forma resumida conforme mostra a Figura 7. Dois servidores gerenciam a base de armazenamento e de processamento em tempo real dos dados adquiridos via GPRS dos sensores Power Donut-2. Estes dois servidores são identificados pelas siglas SMLT1 e SMLT2. O servidor SMLT2 é responsável pela comunicação dos dados no protocolo IP e tem como finalidade fazer a conexão com os sensores em campo. Os dados coletados podem ser armazenados no SMLT2 em arquivos tipo texto, diretamente na base de dados e/ou ser retransmitidos para outro endereço de IP válido.
O servidor SMLT1 armazena os dados coletados nos bancos de dados na plataforma livre MySQL e PostGreSQL. Neste servidor também se encontram instalados os aplicativos Apache, Tomcat e JBoss que disponibilizam as informações contidas no banco de dados via WEB por meio da interface do SMLT na linguagem Java.
O Centro de Monitoramento em tempo real possui uma estação de trabalho dedicada que conectada à rede corporativa com permissão de acesso aos servidores SMLT1 e SMLT2, realiza etapas do pós-processamento das informações para o armazenamento no servidor SMLT1. Essa alternativa foi construída para possibilitar um acesso aos dados, armazenados em ambiente Linux, por meio da plataforma Windows.
O sensor Power Donut-2 envia os dados via GPRS para a Operadora de Telefonia Celular Móvel e esta retransmite os dados via internet para o servidor SMLT2, que está devidamente conectado via firewall externo na rede DMZ da Cemig. Outro firewall, interno, faz a conexão entre a DMZ e a Rede Corporativa, liberando apenas as portas necessárias do MySQL e do PostGreSQL para as conexões entre o SMLT1 e SMLT2.
Finalmente, os bancos de dados MySQL e PostGreSQL encontram-se instalados no servidor SMLT1 e no Centro de Monitoramento. Ambos os servidores, SMLT1 e do Centro de Monitoramento, são conectados por meio dos protocolos SSH (console modo texto – aplicativo Putty) ou VNC (modo gráfico – aplicativo VNCViewer).
P1 - Donut 5105
P2-Donut 5106
P3-Donut 5108
P4-Donut 5109
Linha Aérea
Cemig - SMLT
UFMG – Lab. Computação
Evolucionária
Telefonia Móvel GPRS-WEB
Figura 7. Diagrama simplificado com a arquitetura da base de informações dos dados nos servidores. 3.0 - APLICAÇÃO DO SISTEMA
O sistema de monitoramento Power Donut-2 foi testado nos laboratórios da UFMG e depois de validado o software desenvolvido, os sensores foram enviados para aplicação real em campo.
3.1 Testes de Laboratório
A Figura 8a mostra os testes em laboratório realizados na UFMG para a certificação das medições de temperatura e corrente dos sensores e validação do software Power Donut Stand Alone. A Figura 8b mostra uma visão interna da montagem do sensor Power Donut-2, composto basicamente por: (i) um transformador de corrente, (ii) sistemas de controles, digital e analógico, e (iii) modem de comunicação via GPRS.
Figura 8. Testes iniciais do sensor de temperatura no laboratório de alta tensão da UFMG e detalhe da arquitetura do sensor Power Donut-2.
3.2 Testes com a Instalação dos Sensores Power Donut-2 em Campo
A Figura 9 apresenta o processo de instalação dos sensores Power Donut-2 em campo. Esse sistema possui um diferencial em relação aos outros sistemas de monitoramento devido à sua característica de mobilidade e de fácil instalação em linha viva. Outra vantagem desse sistema é minimizar a possibilidade de vandalismo, uma vez que, o sensor está instalado ao potencial do condutor na linha aérea.
Operadora de Celular
Figura 9. Processo de instalação dos sensores Power Donut-2 em campo utilizando bastão e caminhão isolado. 4.0 - AQUISIÇÃO DOS DADOS
A Figura 10 apresenta os dados de média horária mensal, obtidos com as medições de campo, para os meses de março e junho de 2008. Observa-se que existe uma diferença no perfil de temperatura do condutor ao longo da linha de transmissão e que existe uma sazonalidade do clima entre esses meses.
Março/2008 0 10 20 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Hora do Dia T em pe ra tu ra d o C on du to r (° C ) Donut 5106 Donut 5109 Junho/2008 0 10 20 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Hora do Dia T em pe ra tu ra d o C on du to r (° C ) Donut 5106 Donut 5109
Figura 10. Dados coletados pelos sensores Power Donut-2 (Março/2008) e (Junho/2008).
A Figura 11 mostra o monitoramento da linha aérea em estudo com amplitude da corrente de até 220 A e os registros do perfil de temperatura do condutor. É possível verificar que a linha opera, em grande parte do tempo, com valores de corrente inferiores à sua capacidade térmica que são definidas no projeto.
0 10 20 30 40 50 60 0 100 200 300 400 500 Corrente (A) T em pe ra tu ra d o C on du to r (° C ) Donut 5106 Donut 5109 capacidade (noite) capacidade (dia)
Figura 11. Comparação entre as curvas de capacidade de transmissão calculada e os valores medidos em campo pelos sensores Power Donut-2.
5.0 - CONCLUSÕES
O software desenvolvido para comunicação com o sistema de monitoramento Power Donut-2, utilizando a tecnologia GPRS, mostrou ser uma solução amigável e de rápido processamento para a visualização das informações em tempo real da linha aérea. O uso da tecnologia GPRS mostrou ser viável para o monitoramento de informações remotas, obtidas a partir de sensores instalados nos condutores em alta tensão. Outras vantagens ainda são atribuídas à comunicação GPRS, como, por exemplo, o custo muito reduzido para transmissão dos pacotes de dados IP e a baixa ocorrência de manutenção no sistema de comunicação.
A arquitetura computacional desenvolvida para o sistema Power Donut-2 em Java foi perfeitamente adaptável à arquitetura existente do sistema de monitoramento de linhas de transmissão da Cemig – SMLT (3). Esse resultado obtido é fundamental para reduzir o custo com a implantação e a operação de sistemas de monitoramento de linhas aéreas na Cemig.
O uso da tecnologia livre de desenvolvimento (Linux + Java) confirma a tendência de uso da filosofia livre em sistemas de monitoramento, conforme mostrado nesse trabalho. A tendência do desenvolvimento da tecnologia de software livre é utilizar uma interface simples de acesso dos dados, e se possível, sem protocolo proprietário entre a origem dos dados (sensores) e a base de armazenamento (servidor). Os dados são armazenados em arquivos texto, pois são de fácil manipulação via WEB.
Pelo lado comercial, na expansão do uso da tecnologia de monitoramento de linhas aéreas, existe uma possibilidade real de reduzir o custo da aquisição desses sistemas de monitoramento que não possuem protocolo de comunicação proprietário. No caso da Cemig, no sistema computacional SMLT, é requisito básico de especificação técnica do sistema de monitoramento possuir no mínimo uma interface com arquivo em formato texto, o que elimina a necessidade de aquisição de protocolo e de sistemas proprietários.
6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) NBR-5422: Projetos de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica - Março, 1985.
(2) Nascimento, C., A., M., et alli. “Aplicação de Tecnologias e Monitoramento em Tempo Real para Aumentar a Capacidade Transmissão em LTs aéreas”. XVI SNPTEE GLT/004, Campinas, Outubro-2001.
(3) Da Silva, H. F. e Do Nascimento, C.A.M., Uma alternativa técnico-econômica para aumentar a capacidade de transmissão via monitoramento em tempo real de linhas aéreas. XVIII SNPTEE GOP-250, Curitiba/PR-Brasil, Outubro-2005.
(4) Do Nascimento, Desenvolvimento de Tecnologias para Controle e Monitoramento em Tempo Real da Capacidade de Transmissão em Linhas de Energia Elétrica, VII SIMPASE – Salvador, 2007.
(5) Vasconcelos, J.A e Do Nascimento, C.A.M., Projeto de P&D-162 “Aplicação do Modelamento da Camada Limite Atmosférica na Ampacidade de Linhas Aéreas de Transmissão“,ANEEL/CEMIG/UFMG, Abril/2009.
