UNI V E R S I D A D E F E D E R A L D O C E A R Á C E NT R O D E T E C NOL O G I A
D E PA R T A M E NT O D E E NG E NH A R I A E L É T R I C A
PR O G R A M A D E PÓS -G R A D UA Ç Ã O E M E NG E NH A R I A E L É T R I C A
L UC E L I A A L V E S D OS S A NT O S
I NT E G R A Ç Ã O D E UM S I S T E M A D E R E C O M PO S I Ç Ã O A UT O M Á T I C O V I A O PC PA R A A UT O M A Ç Ã O D A R E D E E L É T R I C A D E D I S T R I B UI Ç Ã O E M M É D I A T E NS Ã O D O C A M PUS D O PI C I D A UNI V E R S I D A D E F E D E R A L D O C E A R Á
F O R T A L E Z A
L UC E L I A A L V E S D OS S A NT O S
I NT E G R A Ç Ã O D E UM S I S T E M A D E R E C O M PO S I Ç Ã O A UT O M Á T I C O V I A O PC PA R A A UT O M A Ç Ã O D A R E D E E L É T R I C A D E D I S T R I B UI Ç Ã O E M M É D I A T E NS Ã O D O C A M PUS D O PI C I D A UNI V E R S I D A D E F E D E R A L D O C E A R Á
D issertaçã o apresentada ao Programa de Pó s-Graduaçã o em E ngenharia E létrica da Universidade F ederal do C eará, como requisito parcial à obtençã o do título de mestre em E ngenharia elétrica. Á rea de concentraçã o: S istema de E nergia E létrica.
Orientador: Prof. D r. Giovanni C ordeiro B arroso
C oorientadora: Prof.ª Ph.D . R uth Pastôra S araiva L eã o
F O R T A L E Z A
D ados Internacionais de C atalogaçã o na Publicaçã o Univers idade F ederal do C eará
B iblioteca de Pós-G raduaçã o em E ngenharia - B PG E
S236i Santos, L ucélia A lves dos.
Integraçã o de um sistema de recomposiçã o automático via OPC para automaçã o da rede elétrica de distribuiçã o em média tensã o do campus do Pici da Universidade F ederal do C eará / L ucélia A lves dos Santos. – 2015.
105 f. : il. color., enc. ; 30 cm.
D issertaçã o ( mestrado) – Universidade F ederal do C eará, C entro de T ecnologia, D epartamento de E ngenharia E létrica, Programa de Pós-Graduaçã o em E ngenharia E létrica, F ortaleza, 2015.
Á rea de C oncentraçã o: Sistema de E nergia E létrica. Orientaçã o: Prof. D r. Giovanni C ordeiro B arroso. C oorientaçã o: Profa. D ra. R uth Pastôra Saraiva L eã o.
1. E ngenharia elétrica. 2. A utomaçã o elétrica. 3. R edes elétricas inteligentes. I. T ítulo.
A G R A D E C I M E NT O
A D eus pela vida e por todo amor, aprendizado e sorte, pois sem ele nada tem sentindo e só ele sabe os tormentos que nos afligem e é capaz de afastá-los para nos proteger.
À minha família por todo amor e apoio.
A o meu pai (in memoriam) pelo exemplo de vida, amor, serenidade e fraternidade. A minha mã e pela força e exemplo de mulher batalhadora.
A os meus irmã os e em especial à minha irmã J oelina (in memoriam), que trouxe nossa família do interior do C edro para F ortaleza nos proporcionando melhores condições de vida e maiores oportunidades, agradeço ainda pelo exemplo de vida e solidariedade e principalmente pelo incentivo nos estudos e ensinamentos de um bom viver. A você toda minha gratidã o, admiraçã o, respeito e saudade.
A o meu cunhado e também engenheiro eletricista A ntônio E dy que, juntamente com minha irmã , incentivou meus estudos e me acolheu em sua casa por muitos anos.
A o A leandro, pela força, incentivo, amor e paciê ncia. A os meus filhos amados e sapecas L ina (3) e L ian (1).
A s pessoas que cuidaram dos meus pequenos com todo amor e carinho para que a mamã e pudesse finalmente concluir o mestrado (V ovó Marlucia, tia T T , tia-vó E mília, tia K arina, tia L aryssa, A ndréia e tias D amdam, J ó e J osy).
À minha sogra Marlucia pelo apoio e amor dedicados aos meus filhos todos os dias e nos momento de ausê ncia para conclusã o desse trabalho.
A s minhas queridas amigas Paula, L ucia, K ésia, J oyce (in memoriam) e T ereza que acompanharam de perto essa longa caminhada.
A os meus amados sobrinhos, em especial ao Mateus e ao E lton que pude ver crescer de perto. A minha amiga J oyce (in memoriam) pelo incentivo e por dividir comigo o tempo do seu entã o amado marido.
A os meus amigos por todo carinho, companheirismo e apoio, principalmente aos que estiveram mais próximos durante o desenvolvimento desse trabalho.
A os amigos de graduaçã o e vida S io, R enano e Nelblito, pelo companheirismo de todos esses anos.
A os meus orientadores, Prof. Giovanni, Profa. R uth e Prof. R aimundo pela orientaçã o, incentivo e ensinamentos, o meu muito obrigada.
A profa. R uth por toda atençã o, carinho e incentivo desde a graduaçã o.
A os professores do D E E /UF C , pelos ensinamentos ao longo do curso, em especial à s representantes femininas desse grupo professoras R uth e L aurinda.
A o professor D r. A ilson Pereira de Moura pelos ensinamentos pessoais e profissionais ao longo da graduaçã o e pós-graduaçã o.
A os servidores do D E E /UF C em especial a secretária da pós Hannah e ao Mário por toda atençã o e apoio.
A os professores R enato e R aimundo pelas valiosas contribuições e disponibilidade para compor a banca da pré-defesa.
A os amigos e companheiros de L aboratório do Grupo de R edes E létricas Inteligentes ( GR E I-D E E -UF C ): R oberto, S idney, C aio, I-D imas, Neto, B ira, A luísio, L ucas, F abrício e F ernando. E m especial ao meu amigo B ira pelas inúmeras contribuições na realizaçã o desse trabalho. A os colegas do laboratório GPE C -D E E -UF C (Grupo de Processamento de E nergia e C ontrole) no qual implantamos uma ilha do GR E I de automaçã o/Proteçã o, agradeço a acolhida e parabenizo professores e alunos pela estrutura e organizaçã o do laboratório.
A os amigos da C oordenadoria de Obras e Projetos (C OP) em especial à V enilma, R onne, Ubirajara e F abrício que ficaram sobrecarregados na minha ausê ncia para dedicaçã o a elaboraçã o desse trabalho.
A o B ira e a B runa pelo incentivo e companheirismo do pique-final. D eus já uniuA
R E S UM O
S A NT OS , L . A . dos “Integraçã o de um Sistema de R ecomposiçã o A utomático no Sistema de A utomaçã o da R ede de Distribuiçã o de Média T ensã o do C ampus do Pici da Universidade F ederal do C eará”. Universidade F ederal do C eará UF C , 2015, 80p.
D urante muito tempo a manutençã o do sistema de distribuiçã o do campus do Pici da Universidade F ederal do C eará - UF C foi de responsabilidade da C ompanhia E nergética do C eará – C oelce, pela parceria entre os governos federal e estadual. No entanto, com a privatizaçã o da C oelce no ano de 1998, a UF C assumiu essa demanda e por muitos anos, por falta de recursos e planejamento, fez-se apenas intervenções corretivas emergenciais na infraestrutura existente, resultando em vários problemas na continuidade de suprimento. F elizmente, os últimos gestores atentaram para o problema e muitos investimentos na rede de distribuiçã o em média tensã o estã o sendo realizados, visando à modernizaçã o e melhoria da segurança, disponibilidade e continuidade do suprimento de energia elétrica do campus do Pici. E stas ações tê m embasamento técnico nos estudos realizados pelo D epartamento de E ngenharia E létrica em parceria com o setor de engenharia da UF C (UF C -Infra). Nesse contexto, foi idealizada e está em fase de implantaçã o uma subestaçã o de 69-13,8 kV , composta de dois transformadores de 5/6,25 MV A , sendo um de reserva, trê s saídas de alimentadores e nove religadores distribuídos ao longo da rede de média tensã o em 13,8 kV do campus. E ste sistema será operado, supervisionado e controlado por um sistema SC A D A (S upervisory C ontrol and D ata A quisition), desenvolvido na plataforma comercial E lipse PoRer, utilizando o banco de dados Microsoft® S QL S erver 2012 – versã o E xpress. No âmbito da automaçã o, foi desenvolvida e integrada ao S C A D A , via comunicaçã o OPC (Open Platform C ommunications), uma funçã o avançada denominada, S istema de R ecomposiçã o A utomática (S R A -PIC I) . O S R A -PIC I foi desenvolvido em linguagem C #, utilizando o programa Microsoft V isual S tudio 2010, modelado em R edes de Petri C oloridas, e testado usando a ferramenta de análise C PN T ools. Para integraçã o dos aplicativos S C A D A e S R A foi utilizado o protocolo aberto OPC que especifica a comunicaçã o de dados em tempo real entre um elemento fonte e um elemento receptor de diferentes fabricantes. T estes de validaçã o do S R A e da comunicaçã o entre os aplicativos foram realizados em laboratório, que atestam o sucesso da implementaçã o e abrem perspectivas importantes para avançar na direçã o de uma rede elétrica inteligente para o campus do Pici.
A B S T R A C T
F or a long time the maintenance of the poRer distribution system of the Pici C ampus of the F ederal University of C eará - UF C Ras the responsibility of the E nergy C ompany of C eará - C oelce, by the partnership betReen the federal and state governments. HoRever, Rith the privatization of C oelce in 1998, the UF C assumed that demand and for many years, due to lack of resources and planning, onl y the emergency and corrective interventions have taken place, thereby have emerged several problems in continuous supply. F ortunately, the last managers have paid attention to the problem and many investments in the medium voltage distribution netRork are being carried out, aimed at modernizing and improving security, availability and continuity of energy suppl y of Pici campus. T hese acti ons Rere based on technical studies conducted by the D epartment of E lectrical E ngineering in partnership Rith the engineering sector of the UF C (UF C -Infra). In this context, Ras designed and is being implemented a poRer substation of 69 to 13.8 kV , Rith tRo transformers of 5 / 6.25 MV A , , three outputs feeders and nine reclosers distributed throughout the medium voltage distribution netRork of the campus. T his system Rill be operated, supervised and controlled by a S C A D A system (Supervisory C ontrol and D ata A cquisition), developed in the commercial platform E lipse PoRer using the Microsoft® S QL S erver 2012 database - E xpress version. In the field of automation, it Ras developed and integrated into the S C A D A via OPC (Open C ommunications Platform), an advanced function called A utomatic R estoration S ystem (A R S -PIC I). T he A R S -PIC I Ras developed in C # using Microsoft V isual S tudio 2010 program, modelled on C olored Petri Nets, and tested using the C PN T ools anal ysis program. F or integration of the S C A DA and the A R S application softRare Ras used the OPC open protocol that specifies the real time data communication betReen a source element and a receiving element from different manufacturers. V alidation tests of the A R S and communication betReen the softRare S C A DA -A R S Rere performed in the laboratory, attesting to the successful implementation and opening important perspectives to advance toRard a smart grid to the campus of the Pici.
L I S T A D E I L UST R A Ç Ô E S
F igura 2.1 – E strutura da automaçã o de sistemas E létricos ( pirâmide mostrando quatro níveis) ... 25
F igura 2.2 IE D S E L -751 utilizado para o controle dos religadores da rede elétrica de distribuiçã o em MT .... ...28
F igura 2.3 - Modelo de referê ncia OSI e exemplos de protocolos por camada. ... 30
F igura 2.4 - Modelo de camadas T C P/IP e alguns protocolos por camada. ... 30
F igura 2.5 - E strutura de um objeto IE C 61850. ... 33
F igura 2.6 - Modelo de referê ncia de uma informaçã o no padrã o IE C 61850. ... 33
F igura 2.7 - Nós lógicos do IE D S E L _ 751 – T ags comunicaçã o SC A DA PIC I ... 35
F igura 2.8 – C omparativo entre ferramentas de interoperabilidade. ... 36
F igura 2.9 – OPC e C OM ... 37
F igura 2.10 – C omunicaçã o padronizada OPC ... 38
F igura 2.11 – ( a) R ede - T opologia e (b) Diagrama unifilar - C ampus do Pici. ... 41
F igura 2.12 – A rquitetura do sistema de comunicaçã o da R E DE _ Pici. ... 43
F igura 2.13 – chave seccionadora monopolar – classe 15kV ... 44
F igura 2.14 – R eligador T avrida ... 45
F igura 2.15 - Unidade de controle do religador T avrida: (a) painel frontal e (b) parte interna. ... 45
F igura 2.16 - R eligador da rede de distribuiçã o em MT do Pici ... 46
F igura 2.17 - T ela do SoftRare acSE L erator Quickset – S E L -5030 ... 47
F igura 2.18 – T ela do SoftRare acSE L erator A rchitect® –SE L -5032 ... 48
F igura 3.1 - F luxograma de ações do S R A ... 54
F igura 3.2 - R PC de Seleçã o do trecho a recompor e R ecomposiçã o ... 55
F igura 4.1 - C urva de demanda ativa mensal referente ao mê s de abril de 2015. ... 57
F igura 4.2 – T ela inicial – A rquitetura do sistema de comunicaçã o. ... 59
F igura 4.3 – T ela R ede PIC I... 60
F igura 4.4 – T ela A limentadores ... 60
F igura 4.5 – Gráficos – SC A D A . ... 61
F igura 4.6 – C omunicaçã o via driver iec61850 com simulador IE C 61850 INF O T E C H. ... 62
F igura 4.7 – Simulador IE C 61850 – SC A D A -PIC I. ... 62
F igura 4.8 - C onfiguraçã o do driver IE C 61850 – comunicaçã o com IE Ds. ... 63
F igura 4.9 – E strutura IE C 61850 dos IE D s – Seleçã o de tags de comunicaçã o. ... 63
F igura 4.10 - C onfiguraçã o da Proteçã o – Modo Studio. ... 64
F igura 4.11 – Operaçã o da Proteçã o. ... 64
F igura 4.12 – V erificaçã o da atuaçã o da Proteçã o. ... 65
F igura 4.14 – C onexã o com o B anco de Dados SQL server. ... 66
F igura 4.15 - T ela de inicializaçã o do SR A – PIC I. ... 67
F igura 4.16 – T ela inicial SR A – PIC I . ... 68
F igura 4.17 - S R A – PIC I – simulador de faltas. ... 69
F igura 4.18 – S R A – PIC I – F alta em T 1. ... 70
F igura 4.19 – S R A – PIC I – F alta em T 4. ... 70
F igura 4.20 – S R A – PIC I – F alta em T 6 ... 71
F igura 4.21 – S R A – PIC I – F alta em T 7. ... 71
F igura 4.22 - Integraçã o SC A D A -S R A -IE D ´s ... 72
F igura 4.23 - S R A - PIC I e SC A DA PIC I - C omunicaçã o OPC ... 73
F igura 4.24 – S R A – PIC I e SC A D A PIC I– C omunicaçã o OPC – F alta em T 7 ... 74
F igura 4.25 – S R A – PIC I e SC A D A PIC I– C omunicaçã o OPC . ... 74
F igura B . 1 D iagrama Unifilar da R ede de Distribuiçã o de E nergia E létrica do C ampus do Pici - UF C ... 84
F igura B . 2 R epresentaçã o dos lugares R E L IGA DOR E S e T R E C HOS ... 85
F igura B . 3 Subrede Identifica R eligador Montante a F alta. ... 87
F igura B . 4 Parte 1 da Subrede Identifica R eligador Montante a F alta. ... 88
F igura B . 5 Parte 2 da Subrede Identifica R eligador Montante a F alta. ... 88
F igura B . 6- Parte 3 da Subrede Identifica R eligador Montante a F alta. ... 89
F igura B . 7 - S ubrede L ocalizaçã o de F alta ( antes do disparo de “L OC A L IZ A R F A L T A ”). ... 90
F igura B . 8 Subrede L ocalizaçã o de F alta (após o disparo de “L OC A L IZ A R F A L T A ”). ... 91
F igura B . 9 - S ubrede Isolamento de F alta ( antes do disparo de “IS OL A R T R E C HOS D E F E IT UOSOS”) . ... 91
F igura B . 10 - S ubrede Isolamento de F alta ( após o disparo de “IS OL A R T R E C HOS D E F E IT UOSOS”) . ... 92
F igura B . 11 - S ubrede A nalisa V ivacidade (antes do disparo de “INIC IA ”) . ... 93
F igura B . 12 - S ubrede A nalisa V ivacidade ... 93
F igura B . 13 - S ubrede A nalisa V ivacidade (após disparo de E 2). ... 94
F igura B . 14 -S ubrede isolamento trechos mortos (antes do disparo de “IS OL A R T R E C HO MOR T O”) ... 95
F igura B . 15 - S ubrede isolamento trechos mortos (após o disparo de “IS OL A R T R E C HO MOR T O”). ... 95
F igura B . 16 - S ubrede Seleçã o do T recho a R ecompor (antes do disparo de “SE L E C IONA T R E C HO”). ... 96
F igura B . 18 - S ubrede R ecomposiçã o. ... 98
F igura B . 19 - Parte 1 da Subrede A nalisa F ontes... 99
F igura B . 20 Parte 2 da Subrede A nalisa F ontes (antes do disparo de “T R E C HOS L IGA D OS”) . .... 100
F igura B . 21Parte 2 da Subrede A nalisa F ontes (após o disparo de “T R E C HOS L IGA DOS”). ... 101
F igura B . 22 Parte 1 da Subrede C apacidade e C arregamentos. ... 102
F igura B . 23 Parte 2 da Subrede C apacidade e C arregamentos ... 102
F igura B . 24 Subrede A nalisa T rechos ... 103
F igura B . 25 Parte 1 da Subrede A nalisa T rechos. ... 104
F igura B . 26 Parte 2 da Subrede A nalisa T rechos. ... 104
F igura B . 27 Parte 3 da Subrede A nalisa T rechos. ... 105
L I S T A D E T A B E L A S
T abela 2.1 - E xemplo de descriçã o de componente na IE C 61850 ... 33
T abela 2.2 - D escriçã o de dispositivos lógicos na IE C 61850 ... 34
T abela 2.3 - E strutura da norma IE C 61850 ... 34
T abela 2.4 - D esignador de Grupo IE C 61850 ... 34
T abela 4.1 – Dados de carga dos trechos da rede Pici ... 56
T abela 4.2 – Unidades acadê micas do campus do Pici da UF C . ... 57
T abela 4.3 – C arregamento dos trechos – 30%. ... 58
T abela A . 1 - Subestações do A limentador 01L 1 ... 81
T abela A . 2 - Subestações do A limentador 01L 12 ... 82
L I S T A D E A B R E V I A T UR A S E S I G L A S
A NS I American National Standards Institute C ID C onfigured IE D D escription
C L P C ontroladores L ógico Programáveis C OS C entro de Operaçã o do S istema C OE L C E C ompanhia E nergética do C eará C OM C omponent Object Model
D C OM D istributed C omponent Object Model D C S D istributed C ontrol Systems
D E E D epartamento de E ngenharia E létrica GOOSE Generic Object Oriented Substation E vent GR E I Grupo de R edes E létricas Inteligentes IC D IE D C apability D escription
IE D Intelligent E lectronic D evice
IE C International E lectrotechnical C ommission IE E E Institute of E lectrical and E lectronics E ngineers
IP Internet Protocol
IHM Interface Homem Máquina
L D L ogical D evice
L N L ogical Node
MMS Manufacturing Message Specification
NA Normalmente A berto
NF Normalmente F echado
OPC Open Platform C ommunications
OPC -D A Open Platform C ommunications – D ata Access OPC - A & E Open Platform C ommunications –Alarms & E vents OPC -HA Open Platform C ommunications – Historical D ata Access OPC -UA Open Platform C ommunications – Unified Architecture
OS I Open Systems Interconnection
R P R edes de Petri
R PC R edes de Petri C oloridas
S C A D A Supervisory C ontrol and D ata Acquisition S E D S ubestaçã o E létrica de D istribuiçã o S E L SchReitzer E ngineering L aboratories S C D Substation C onfiguration D escription
S V Sampled V alues
T C T ransformador de C orrente T C P T ransmission C ontrol Protocol
T P T ransformador de Potencial
UC A Utility C ommunication Architecture UC S Unidade de C ontrole da S ubestaçã o
UC D Unidade de C ontrole do sistema de D istribuiçã o UF C Universidade F ederal do C eará
S UMÁ R IO
1 I NT R OD UÇ Ã O ... 19
1.1 -J ustificativa ... 21
1.2 - Objetivos ... 22
1.3 - Metodologia ... 23
1.4 - E strutura do trabalho ... 23
2 A UT O M A Ç Ã O DE SI S T E M A S E L É T R I C OS D E D I S T R I B UI Ç Ã O ... 25
2.1 Introduçã o ... 25
2.2 Hierarquia do sistema de automaçã o... 25
2.3 A utomaçã o de subestações de distribuiçã o ... 26
2.4 A utomaçã o de redes elétricas de distribuiçã o ... 27
2.4.1 D ispositivo E letrônico Inteligente ... 27
2.5 S istema S C A D A ... 28
2.6 S istemas de comunicaçã o ... 29
2.6.1 Protocolos de comunicaçã o ... 30
2.6.2 Norma IE C 61850 ... 31
2.6.3 Padrã o de comunicaçã o OPC ... 35
2.7 S istema integrado de proteçã o automaçã o e controle do C ampus do Pici... 40
2.7.1 R ede elétrica de distribuiçã o de MT do C ampus do Pici ... 40
2.7.2 E strutura hierárquica e topológica do sistema de automaçã o do C ampus do Pici ... 42
2.7.3 E quipamentos primários do nível de processo ... 43
2.7.4 E quipamentos S ecundários do Nível B ay ... 46
2.7.5 E quipamentos e S istemas do Nível E staçã o ... 48
3 F UNÇ Ã O A V A NÇ A D A DE A UT OM A Ç Ã O A PL I C A D A A R E D E E L É T R I C A INT E L I G E NT E D O C A M PUS D O P IC I ... 51
3.1 Introduçã o ... 51
3.2 R ecomposiçã o em sistemas elétricos de distribuiçã o ... 51
3.3 S istema de recomposiçã o automática... 51
3.3.1 Modelo R PC ... 53
4 I NT E G R A Ç Ã O D O SC A D A - PIC I C OM SR A – PI C I E O S IE D ... 56
4.1 Introduçã o ... 56
4.2 Integraçã o entre sistemas e níveis hierárquicos ... 58
4.3 T elas do S C A D A -PIC I ... 59
4.3.1 Uso do S QL Server – V ersã o E xpress no S C A D A - PIC I ... 65
4.4 S R A -PIC I ... 66
4.5 Integraçã o S R A -PIC I E S C A D A PIC I via OPC ... 72
5 C ONC L USÕ E S E T R A B A L H OS F UT UR OS ... 75
5.1 T rabalhos futuros ... 76
R E F E R ÊNC I A S ... 77
A NE X O A ... 81
1 I NT R O D UÇ Ã O
A crescente demanda por energia elétrica tornou o setor elétrico ainda mais estratégico e a sociedade mais intolerante à s falhas no sistema de abastecimento de energia elétrica, tamanha sua importância nos diversos campos da sociedade. A s universidades sã o o berço do desenvolvimento intelectual de uma naçã o e a energia elétrica é fundamental para todos os campos de pesquisa e desenvolvimento. A Universidade F ederal do C eará (UF C ) , com recursos do governo F ederal, vem investindo na expansã o da universidade, ampliando suas instalações com a construçã o de novos blocos de salas de aula e laboratórios nos campi de F ortaleza e instalando novos campi no interior do estado. No entanto, é necessária a manutençã o e ampliaçã o da infraestrutura elétrica existente para atender esta nova demanda. Nessa perspectiva, neste trabalho sã o propostas soluções para melhorias do sistema de distribuiçã o de energia elétrica em média tensã o do C ampus do Pici, situado na A v. Humberto Monte, 2977 em F ortaleza – C E .
automática (S R A ) para automaçã o da rede elétrica de distribuiçã o em MT (Moura, 2010, L opes, 2011).
B aseado nos resultados dos estudos técnicos desenvolvidos pelo Grupo de R edes E létricas Inteligentes do D epartamento de E ngenharia E létrica da UF C ( GR E I-D E E -UF C ) , o setor de infraestrutura da UF C (UF C -Infra) e o próprio GR E I conduziram diversos projetos de investimentos e executaram várias ações para implantaçã o da subestaçã o, do sistema de automaçã o, do S R A e do L aboratório de Proteçã o e A utomaçã o de S istemas E létricos. Na topologia proposta, a rede elétrica de distribuiçã o em MT foi subdividida em oito grandes áreas, pela alocaçã o de nove religadores, os quais permitirã o o reestabelecimento de energia frente a uma falta temporária, ou o isolamento do trecho com defeito em caso de falta permanente. D e acordo com as recomendações dos estudos elétricos, considerando os vários cenários de recomposiçã o automática, foram realizados recondutoramento de trechos da rede de distribuiçã o (condutores com seçã o de 25 mm
2
foram substituídos por condutores com seçã o de 35mm
2
), a instalaçã o da infraestrutura de comunicaçã o para o sistema de automaçã o e a compra dos reli gadores para a rede elétrica de distribuiçã o em MT . A lém disso, foram executadas as obras civis e de malha de terra da subestaçã o, compra e locaçã o dos transformadores da subestaçã o e a infraestrutura do laboratório de proteçã o e automaçã o. O projeto de proteçã o da subestaçã o está em fase de aprovaçã o junto à concessionária local.
A infraestrutura de automaçã o proposta para modernizaçã o da rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici da Universidade F ederal do C eará compreende uma estaçã o de estudo, ensino e pesquisa instalada no laboratório do curso de engenharia elétrica e uma estaçã o instalada no centro de operaçã o do sistema, localizado no setor de engenharia da UF C -Infra. A estrutura hierárquica do sistema de automaçã o contempla:
- No nível 2, uma unidade de controle da subestaçã o e da rede elétrica de distribuiçã o em MT (UC S /UC D ), uma S upervisã o C ontrole e A quisiçã o de D ados (SC A D A ), um B anco de D ados ( B D ), uma funçã o avançada de automaçã o, denominada S istema de R ecomposiçã o A utomática (S R A ) para automaçã o da rede de distribuiçã o de média tensã o, IHM ( Interface Homem Máquina), um GPS e uma rede de comunicaçã o com sRitch gerenciável padrã o IE C 61.850;
- No nível 1, IE D s ( Intelligent E lectronic D evices) associados aos equipamentos de campo (nível 0), integrados ao nível 2 via padrã o de comunicaçã o IE C 61.850;
1.1 - J ustificativa
O trabalho apresentado nesta dissertaçã o vem dar sequê ncia a uma série de trabalhos acadê micos desenvolvidos pelo Grupo de R edes E létricas Inteligentes (GR E I) do D epartamento de E ngenharia E létrica da Universidade F ederal do C eará para modernizaçã o e melhoria da confiabilidade do sistema de suprimento de energia elétrica do C ampus do Pici. V ários trabalhos desenvolvidos pelo GR E I, citados a seguir, serviram de premissa a este trabalho e deram suporte ao setor de engenharia da UF C -Infra e aos professores coordenadores do GR E I no desenvolvimento de projetos estruturantes para implantaçã o de laboratório bem como reforma e expansã o da rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici.
Moura (2010), B arros (2010) e V ale (2011) justificaram a necessidade da evoluçã o e modernizaçã o da rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici. L opes (2011) propôs a construçã o de uma subestaçã o 69-13,8 kV e de uma rede elétrica de distribuiçã o em MT com trê s alimentadores e nove religadores. E m Giroux (2012), é proposta a implantaçã o de um sistema S C A D A local na subestaçã o, com interfaces gráficas, automatismos e integraçã o dos sistemas de proteçã o e controle via sistema digital baseado na IE C 61850. O S C A D A -PIC I proposto foi desenvolvido na plataforma E lipse PoRer e conectado a um banco de dados implementado no Microsoft® S QL S erver 2012 – versã o E xpress, conforme apresentado em ( L IB E R A T O, 2014).
E m S ampaio et al (2012) e Oliveira et al (2013), o GR E I apresentou a metodologia para modelagem e desenvolvimento de um S istema de R ecomposiçã o A utomática (S R A ). O S R A foi modelado em R edes de Petri C oloridas ( R PC ), usando a ferramenta de análise C PN T ools para teste e validaçã o do modelo e foi desenvolvido em #C . E ste trabalho consiste no desenvolvimento de um Piloto de R edes E létricas Inteligentes (R E I),
desenvolvido em parceria com a C oelce, em projeto P& D , para implantaçã o na rede elétrica de distribuiçã o em MT de A quiraz. Utilizando o conceito de reusabilidade, o modelo do S R A em R PC , proposto em Oliveira et al (2013), foi concebido para aplicaçã o em qualquer rede elétrica de distribuiçã o em MT com topologia radial com recurso.
baseado na metodologia proposta em S ampaio et al (2012) e no modelo proposto em Oliveira et al (2013).
1.2 - O bj etivos
Neste trabalho o objetivo geral é integrar um sistema de recomposiçã o automática (S R A ) ao sistema S C A D A da rede elétrica de MT do campus do Pici da Universidade F ederal do C eará.
Os objetivos específicos da dissertaçã o sã o:
- V alidar o modelo do S R A , desenvolvido em R edes de Petri C oloridas, para a rede Pici usando o softRare C PN T ools.
- D esenvolver em C # o sistema de recomposiçã o automática para a rede elétrica de distribuiçã o em MT do campus do Pici.
- R epresentar a rede elétrica de média tensã o do campus do Pici em simulador computacional.
- T estar a ferramenta S R A para situações de faltas na rede elétrica de distribuiçã o em MT do Pici.
- D esenvolver a integraçã o via protocolo OPC -D A (Open Platform C ommunication D ata Access) entre os softRares S R A e o softRare S C A D A E lipse PoRer.
- D esenvolver bancada experimental para teste e validaçã o da comunicaçã o entre S R A e S C A D A ,
1.3 - M etodologia
A metodologia usada no desenvolvimento deste trabalho compreendeu as seguintes etapas:
i. L evantamento de dados para atualizaçã o do projeto da rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici;
ii. E studo da modelagem do sistema de distribuiçã o de energia em R edes de Petri C oloridas (R PC ) do S R A desenvolvido para rede A quiraz da C oelce no projeto P& D com o GR E I e a implementaçã o das adequações do modelo S R A -A quiraz, por meio do softRare C PN T ools, para aplicaçã o no S R A do C ampus do Pici;
iii. D esenvolvimento do S R A -PIC I em C #, utilizando o programa Microsoft V isual S tudio 2010 para aplicaçã o do S R A -A quiraz na topologia do sistema de distribuiçã o do C ampus;
iv. A companhamento da implementaçã o do projeto de automaçã o da subestaçã o e da rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici no sistema SC A D A E lipse PoRer e sua integraçã o com o banco de dados S QL -S E R V E R ( L IB E R A T O, 2014);
v. Integraçã o do S C A DA -PIC I com o simulador de IE C 61850 modelo D emo da Info T ech e dos IE D s de proteçã o existentes no laboratório de Proteçã o e A utomaçã o do D epartamento de E ngenharia E létrica, via protocolo MMS padrã o de comunicaçã o IE C 61850;
vi. Implementaçã o da integraçã o do S R A – Pici ao S C A D A – Pici, utilizando o padrã o de comunicaçã o OPC -D A ;
vii. T estes e validaçã o do S R A utilizando a infraestrutura de proteçã o e automaçã o existente laboratório do D epartamento de E ngenharia E létrica.
1.4 - E str utur a do tr abalho
E ste trabalho está dividido em cinco capítulos. O C apítulo 1 é introdutório que descreve o panorama atual e futuro do sistema do C ampus do Pici, apresenta os objetivos e metodologia do trabalho e descreve a estrutura da dissertaçã o.
os sistemas de comunicaçã o utilizados na automaçã o de subestações e sistemas de distribuiçã o.
No C apítulo 3 sã o apresentados os conceitos de R edes E létricas Inteligentes (R E I), do inglê s Smart G rids, com ê nfase na recomposiçã o automática.
O C apítulo 4 apresenta o desenvolvimento e implantaçã o do projeto de automaçã o da rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici, abrangendo a construçã o de telas para a IHM do S C A D A -PIC I, elaborado na plataforma E lipse PoRer, o S R A -PIC I, desenvolvido em C # e a integraçã o via OPC entre eles. A presenta também a integraçã o entre o S C A D A com os IE D s via IE C 61850 e os testes e validaçã o feitos no laboratório de proteçã o do D E E .
2 A UT O M A Ç Ã O D E S I S T E M A S E L É T R I C OS D E D I S T R I B UI Ç Ã O
2.1 I ntr oduçã o
Neste capítulo sã o apresentados aspectos conceituais relacionados à automaçã o de sistemas de distribuiçã o, abrangendo automaçã o das subestações e das redes elétricas de distribuiçã o em MT , sistema S C A D A , bem como sistemas e protocolos de comunicaçã o usados nos sistemas elétricos para viabilizar a automaçã o desses sistemas, tal como protocolos da norma IE C 61850 e funcionalidades do protocolo de estrutura aberta OPC .
2.2 H ier ar quia do sistema de automaçã o
T radicionalmente a estrutura da automaçã o do sistema elétrico é representada por uma pirâmide dividida em 4 níveis hierárquicos como ilustrado na F igura 2.1.
F onte: A daptada de ( SA MPA IO, 2002)
E m Giroux (2012) sã o listadas as principais funções de um sistema de automaçã o, a saber:
- C omando remoto: Maior segurança e rapidez;
- Monitoramento: Informações de todo o sistema em tempo real; - A larmes: A lerta de anormalidades/eventualidades;
- R egistro S equencial de E ventos: Informações detalhadas de distúrbios do sistema; - A rmazenamento de D ados Históricos: A nálise posterior (medidas, alarmes, etc.); - Intertravamento: B loqueio/liberaçã o de operaçã o com segurança;
- C ontrole de T ensã o e R eativos: L ógicas para manter nível de tensã o e fluxo de reativos;
- R ecomposiçã o: R eestabelecimento de energia ao maior número de usuários;
- R eligamento A utomático: A lgoritmo de controle com técnicas de inteligê ncia artificial;
2.3 A utomaçã o de subestações de distr ibuiçã o
A s subestações distribuidoras de energia (S E D ) sã o responsáveis pelo suprimento dos sistemas de distribuiçã o da energia elétrica em média e baixa tensã o. Uma S E D é uma instalaçã o elétrica que recebe e distribui circuitos elétricos e concentra um conjunto de equipamentos de manobra, proteçã o, mediçã o, transformaçã o e automaçã o.
E ntre os dispositivos e sistemas que caracterizam a automaçã o das subestações estã o:
- Processo ou nív el 0: transformadores, disjuntores, religadores, seccionadoras, transformadores de corrente (T C ) e de potencial ( T Ps), etc.
- Nível Bay ou Nível 1: estã o localizados os equipamentos secundários, representados pelos dispositivos de proteçã o e controle.
- Nível 2 ou Nível E staçã o: estã o instalados a Unidade de C ontrole da S ubestaçã o (UC S ), GPS para sincronizaçã o de tempo dos IE D , dispositivos e acessórios de comunicaçã o para integraçã o com o Nível 1 e com o Nível 3. E m sistemas antigos, a UC S é composta apenas de uma UT R sem IHM/S C A D A integrada aos dispositivos no nível de bay via transdutores e condutores elétricos. Nos sistemas mais modernos a UC S possui sistema S C A D A /IHM integrados aos dispositivos do Nível 1 via rede local.
Na F igura 2.1 é apresentada a estrutura hierárquica de um sistema de automaçã o
2.4 A utomaçã o de r edes elétricas de distr ibuiçã o
A automaçã o das redes elétricas de distribuiçã o em MT compreende os seguintes níveis, sistemas, equipamentos e acessórios:
- Processo ou nível 0: religadores, secionalizadores, chaves automáticas, reguladores de tensã o, sensores de tensã o (T P), sensores de corrente (T C ) , etc., os quais estã o distribuídos ao longo dos alimentadores.
- Nível bay ou nível 1: estã o localizados os equipamentos secundários como os dispositivos de controle, proteçã o e monitoramento associados aos equipamentos primários;
- Nível 2 ou nível E staçã o: normalmente contempla uma Unidade C entral de C ontrole da R ede de D istribuiçã o (UC D ) representado por uma Unidade T erminal R emota. Normalmente, em funçã o das distâncias, a comunicaçã o entre o nível 2 com o nível 1 e com o nível 3 é realizado via celular (GPR S ) ou rádio.
Na F igura 2.1 é apresentada a estrutura hierárquica que também se aplica a um sistema de automaçã o de uma rede de distribuiçã o em MT . Os dados da UC D sã o disponibilizados para os operadores, no nível 3, localizado no C entro de Operaçã o da D istribuiçã o – C OS .
A implantaçã o da automaçã o nas subestações e redes de distribuiçã o possibilita a supervisã o e comando à distância em tempo real, viabilizando a identificaçã o, isolamento do trecho em falta, bem como a recomposiçã o da rede elétrica de distribuiçã o em MT . C omo retorno para a empresa, a automaçã o proporciona reduçã o dos custos com deslocamento de equipes de manutençã o.
2.4.1 D ispositivo E letrônico I nteligente
locais ou internet, multiplexaçã o, armazenamento de dados, cálculos computacionais sofisticados, lógicas para controle de processos, oscilografia, entre outras ( QUE IR OZ , 2010).
A través do acesso remoto aos IE D s, algumas tarefas como mudança de curvas de ajuste de relés de proteçã o, instalaçã o de softRares, coleta de dados de oscilografias, entre outras ações, podem ser executadas remotamente. A F igura 2.2 mostra um exemplo de IE D utilizado no controle dos religadores instalados na rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici.
F onte: S chReitzer E ngineering L aboratories ( 2015).
2.5 S istema S C A D A
Supervisory C ontrol And D ata Acquisition – SC A D A refere-se a sistemas de supervisã o, controle e aquisiçã o de dados compostos por um ou mais computadores e softRares de aplicaçã o monitorando e controlando um determinado processo, tendo como principal funçã o disponibilizar informações em tempo real ao operador através de uma interface de alto nível ( L E Ã O, 2010).
O sistema S C A D A recebe informações do sistema elétrico supervisionado relacionadas com as a mudanças de estado ou falhas dos equipamentos de disjunçã o, atuações dos dispositivos de proteçã o e as disponibiliza aos operadores possibilitando conhecimento das ocorrê ncias no sistema ( L E Ã O, 2010).
T odas as grandezas elétricas devem ser monitoradas para o controle de um sistema elétrico trifásico: tensões (volts), correntes (ampè res), potê ncia ativa (Ratts), potê ncia reativa (volt-ampere reativos), frequê ncia (hertz), bem como as posições abertas ou fechadas
de seccionadoras, disjuntores e chaves em geral existentes na subestaçã o. C om a incorporaçã o de tecnologias como a de microprocessadores e T I, que agregam conceitos de conectividade e mobilidade, as subestações se tornaram automatizadas. T odos os componentes da subestaçã o, desde os relés de proteçã o, as UT R s, medidores de faturamento, localizadores de falta, registradores de perturbaçã o, anunciadores de alarme, monitoraçã o por vídeo-câmeras, etc., tornaram-se dispositivos microprocessados com recursos de comunicaçã o (O S E T OR E L É T R IC O, 2010).
O sistema supervisório concentra e trata todas as informações coletadas do sistema elétrico, recebe em tempo real as medições de grandezas elétricas (V , I, P, etc.) estados de equipamentos de manobra (disjuntores, chaves, religadores, etc.) e disponibiliza essas informações ao operador do sistema na tela do computador onde está instalado ou de forma remota de acordo com a configuraçã o do sistema.
O principal objetivo dos sistemas S C A D A é propiciar uma interface de alto nível entre o operador e o processo, sistema elétrico, informando-o "em tempo real" todos os eventos ocorridos na planta.
Os códigos operacionais, nomenclatura mais usual na representaçã o dos equipamentos monitorados no diagrama unifilar de um sistema elétrico pelo S C A DA , é constituída de quatro dígitos X Y Z W em que cada letra possui um significado específico: X especifica o tipo de equipamento, Y o nível de tensã o, e Z W a posiçã o dentro da subestaçã o ( L E Ã O, 2010).
2.6 S istemas de comunicaçã o
Para viabilizar a automaçã o do sistema de distribuiçã o, possibilitando o transporte de dados entre os IE D s e entre estes e o S C A D A é indispensável à implantaçã o de um sistema de comunicaçã o composto por infraestrutura ( rádio, fibra óptica, cabo lógico, etc.) e protocolos de comunicaçã o.
T ransporte, 5 – S essã o, 6 – A presentaçã o e 7 – A plicaçã o. C ada camada OS I é responsável por uma funçã o dentro do sistema de comunicaçã o.
F igura 2.3 - Modelo de referê ncia OSI e exemplos de protocolos por camada.
F onte: ( MA C HA D O,2011)
Outro modelo de camadas bastante difundido e utilizado é o padrã o aberto técnico e histórico da Internet T C P/IP – T ransmission C ontrol Protocol/Internet Protocol. O modelo de referê ncia T C P/IP e a pilha de protocolos T C P/IP tornam possível a comunicaçã o de dados entre dois computadores quaisquer, em qualquer parte do mundo. O T C P/IP é estruturado em quatro camadas, conforme F igura 2.4. S endo: 1 – R ede, 2 – Internet, 3 – T ransporte e 4 – A plicaçã o.
F onte: ( MA C HA D O,2011)
2.6.1 Protocolos de comunicaçã o
Protocolo de comunicaçã o é um conjunto de regras que as mensagens devem seguir para que haja comunicaçã o efetiva entre os dispositivos conectados. No setor elétrico,
os protocolos mais utilizados sã o: IE C 60870-101, IE C 60870-104, IE C 60870-103, D NP3, Modbus e IE C 61850 (T C P/IP, MMS , GOOS E ).
Os protocolos do setor elétrico sã o utilizados para monitoraçã o dos valores de medições realizadas (tensã o, corrente, potê ncia, fator de potê ncia), para informaçã o sobre o estado dos disjuntores, religadores e chaves seccionadoras, para atuaçã o da proteçã o com manobra de dispositivos para proteger os dispositivos na ocasiã o de anomalias do sistema, bem como para envio e recebimento de comandos de manobras de equipamentos a critério do operador e ainda para alarme com notificaçã o do operador de ocorrê ncia e alteraçã o da configuraçã o da rede elétrica ou irregularidade funcional de algum equipamento (F UJ II, 2009).
Uma das características de um protocolo de comunicaçã o é a estrutura da mensagem, composta pelos endereços (destino/origem), controles C yclical R edundance C heck (C R C s) e corpo da mensagem (dados propriamente ditos). Outra é o overhead ou payload que mede a “eficiê ncia” do protocolo e é normalmente representado por um valor percentual entre o tamanho total e o corpo da mensagem. Protocolos como IE C 60870-101, D NP3 e MODB US foram especificados para o mínimo overhead, já o IE C 61850 nã o se preocupa com este requisito (O S E T OR E L É T R IC O, 2010).
Outra característica importante é o modelo de rede, podendo ser mestre/escravo – protocolos IE C 60780-101, D NP3 e Modbus ou cliente/servidor, publicador/assinante – IE C 61850.
2.6.2 Norma I E C 61850
O Objetivo deste tópico é dar uma noçã o geral sobre a norma e IE C 61850. E sta norma define trê s mecanismos para a elaboraçã o da automaçã o de um sistema elétrico: Modelos de dados orientado a objeto, S erviços de comunicaçã o e L inguagem S C L (Substation C onfiguration D escriptiom L anguage) (F UJ II, 2009).
E mbora o escopo inicial da norma tenha sido limitado para sistemas de automaçã o de subestações, sua evoluçã o aponta para seu uso também na automaçã o de redes de distribuiçã o em MT .
comunicaçã o exigidos pela norma, mas num patamar de redes elétricas inteligentes e para aplicaçã o em redes de médio porte ou em ambiente controlados como no caso de refinarias de petróleo, a norma IE C 61850 vem sendo utilizada (MOHA GHE GHI et al., 2009).
A norma IE C 61850 possui os protocolos GOOS E (Generic Object Oriented Substation E vent) usado na comunicaçã o horizontal entre IE D s e MMS (Manufacturing Message Specification) para comunicaçã o vertical entre os IE D s e o S C A D A .
A comunicaçã o no E lipse PoRer pode ser feita via driver de comunicaçã o ou via OPC ; para comunicaçã o via IE C 61850 a E lipse desenvolveu o driver IE C 61850.dll.
A utilizaçã o do driver IE C 61850 possibilita a comunicaçã o com relés de proteçã o usando o protocolo IE C 61850. E ste driver permite (E lipse softRare):
- C omunicaçã o com diversos equipamentos no mesmo driver;
- Importaçã o de T ags dos equipamentos ou através de arquivos de configuraçã o S C L ; - S uporte a mensagens sem confirmaçã o de Reports (B uffered ou Unbuffered); - Polling de variáveis que nã o pertencerem a Reports;
- S uporte à informaçã o de qualidade e time stamp (com precisã o de 1ms).
O Protocolo IE C 61850 foi desenvolvido primariamente para a comunicaçã o com relés de proteçã o digitais. C ada relé/equipamento possui internamente a seguinte estrutura: - L ogical D evices ( L D ): S ã o os dispositivos lógicos que correspondem à um dispositivo real
(ex: um Bay) que está mapeado dentro do relé. Um L ogical D evice está sempre mapeado em um único IE D ( Intelligent E lectronic D evice) – L ogical D evices nã o estã o distribuídos. - L ogical Nodes ( L N): S ã o as funções do dispositivo real que estã o mapeados em um L ogical D evice. Por exemplo, a representaçã o virtual de uma chave (C ircuit Breaker) em um Bay é um L ogical Node, que possui o nome de classe padrã o definido como X C B R . Geralmente um L ogical D evice é formado por vários L ogical Nodes.
F onte: ( L OPE S et al., 2012).
F onte: (ME L O, 2015)
A T abela 2.1, retirada do anexo F do manual do IE D S E L 751, lista um exemplo de descriçã o de componente na IE C 61850.
T abela 2.1- E xemplo de descriçã o de componente na IE C 61850
C omponents D escription
MMX U L ogical Node Polyphase measurement unit
A D ata Object Phase-to-ground amperes
PhsA S ub-Data Object Phase A
cV al D ata A ttribute C omplex value
A T abela 2.2, também obtida do manual do IE D S E L 751, descreve os dispositivos lógicos definidos pela norma.
F igura 2.5 - E strutura de um objeto IE C 61850
T abela 2. 2 - D escriçã o de dispositivos lógicos na IE C 61850 L ogical D evice D escription
ANN Annunciator elements — alarms, status values
C F G C onfiguration elements — datasets and report control blocks C ON C ontrol elements — Remote bits
ME T Metering or Measurement elements — currents, voltages, poRer, etc. PRO Protection elements — protection functions and breaker control
Na T abela 2.3 é apresentada a estrutura da norma IE C 61850.
T abela 2.3 - E strutura da norma IE C 61850 IE C 61850- 1 Introduçã o e V isã o Geral
IE C 61850-2 G lossário IE C 61850-3 R equisitos G erais
IE C 61850-4 G erenciamento de S istema e Projetos
IE C 61850-5 R equisitos de C omunicaçã o para F unções e Modelos de D ispositivos IE C 61850-6 L inguagem de C onfiguraçã o para IE D s (SC L )
IE C 61850-7 E strutura de C omunicaçã o B ásica para E quipamentos de S ubestações e A limentadoresE C 61850-7-1 Princípios e Modelos
IE C 61850-7-2 S erviços de C omunicaçã o A bstratos ( A C S I) IE C 61850-7-3 C lasses de D ados C omuns
IE C 61850-7-4 C lasses de Nós L ógicos e de D ados C ompatíveis IE C 61850-8 S pecific communication service mapping ( S C S M) IE C 61850-8-1 Mapeamento para MMS ( ISO/IE C 9506 Part 1 and Part 2) IE C 61850-9 S pecific communication service mapping ( S C S M)
IE C 61850-9-1 V alores A mostrais sobre E nlace S erial Unidirecional M ultidrop Ponto-a-Ponto IE C 61850-9-2 V alores A mostrais sobre ISO/IE C 8802-3
IE C 61850-10 T estes de C onformidade F onte: ( IE C /T R 61850-1, 2003) .
Na T abela 2.4 sã o listados os grupos de nós lógicos padronizados pela norma IE C 61850.
T abela 2.4 - D esignador de G rupo IE C 61850
G r upos de nós L ógicos G r oup D esignator Number
Sistema de nós L ógicos L 2
F unções de Proteçã o P 27
F unções relacionadas à proteçã o R 10
C ontrole C 4
Genérico G 3
Interface e A rquivamento I 4
C ontrole A utomático A 4
Manobra X 2 T ransformadores de instrumentos T 2
T ransformadores de Potê ncia Y 4
E quipamento de potê ncia adicional Z 14
Sensor e Monitoramento S 3
86
A lguns nós lógicos sã o obrigatórios em cada dispositivo físico, como o L L N0 ( L N principal), que possui funções de gerenciamento comum a todos L Ns.
Para a leitura de valores utilizando o driver IE C 61850, nã o é indicada a leitura por polling dos dados. E m vez disso, deve-se preferencialmente utilizar reports, para aumentar a eficiê ncia e permitir o tratamento de S equê ncias de E ventos (S OE ). ( E L IPS E )
O protocolo IE C 61850 prevê a utilizaçã o de objetos report, que tê m como objetivo notificar as aplicações cliente acerca de modificações nos dados. Os dados a serem reportados sã o definidos pelo usuário em um dataset. C ada report pode ter associado apenas um dataset, mas um equipamento pode possuir vários reports e datasets. (E L IPS E ).
A F igura 2.7 ilustra a disposiçã o dos nós lógicos no dispositivo montados em estrutura de árvore após a importaçã o das tags de comunicaçã o no E lipse PoRer.
F onte: Própria - T ela E lipse PoRer- driver comunicaçã o 2.6.3 Padrã o de comunicaçã o OPC
Nos últimos anos vem sendo almejada a padronizaçã o de softRares de automaçã o e um grande passo nesse sentido foi a padronizaçã o de acesso aos dados em equipamentos onde diversos sistemas, protocolos, e interfaces sã o usados (GONÇ A L V E S , 2012).
O que a norma IE C 61850 fez para as subestações, em termos de padronizaçã o para interoperabilidade entre produtos de diferentes fabricantes, o padrã o OPC fez para processos industriais e plataformas de softRares, como ilustra a F igura 2.8 que faz um
comparativo entre essas duas ferramentas de interoperabilidade do setor elétrico. A tecnologia OPC possibilita interconectividade entre plataformas que se comunicam usando diferentes protocolos.
F onte: própria do autor
Muitas soluções que surgiram para atender uma demanda na indústria acabaram se consolidando em outros segmentos do sistema elétrico, como é o caso do padrã o OPC .
OPC , do inglê s Open Platform C ommunications, é um padrã o de comunicaçã o aberto que surgiu no ambiente industrial para resolver problemas de falta de interoperabilidade entre os equipamentos de automaçã o de chã o de fábrica e falta de integraçã o entre os sistemas de setores corporativos de uma mesma organizaçã o (Produçã o e administraçã o) (F undaçã o OPC ) .
O padrã o OPC é uma série de especificações padronizadas e abertas que definem a interface entre cliente-servidor, bem como entre servidor-servidor, incluindo acesso a dados em tempo real, monitoramento de eventos e alarmes, acesso a dados históricos dentre outras aplicações (F undaçã o OPC ) .
A F undaçã o OPC é uma organizaçã o sem fins lucrativos que tem como objetivo manter e desenvolver o padrã o OPC de modo a definir padrões para a tecnologia OPC , definindo as funções básicas para acesso a dados proporcionando interoperabilidade entre os sistemas. E la foi fundada em 1996 por um grupo de empresas de automaçã o industrial e de outros campos que tinham como objetivo definir uma serie de especificações, visando promover maior interoperabilidade entre aplicações de automaçã o e controle, sistemas e dispositivos de campo e aplicações comerciais no processo de controle industrial (F undaçã o OPC ).
O objetivo do padrã o OPC é fornecer um meio comum às aplicações de acesso aos dados de qualquer fonte, provenientes de equipamento de campo ou de outras aplicações. Implementa dois grandes módulos: OPC server e OPC client, onde o OPC server especifica interfaces padrã o de acesso direto aos equipamentos ou aplicações, o OPC client especifica a interface padrã o para as aplicações terem acesso aos dados coletados.
O OPC vem sendo aceito como uma interface padrã o entre clientes e servidores, para diferentes campos de aplicaçã o, se tornando o padrã o mais popular entre usuários e desenvolvedores. A maioria dos fabricantes de IHMs ( Interface Homem Máquina), S C A DA (Supervisory C ontrol and D ata Acquisition), D C S (D istributed C ontrol System) e de serviços de controle, ME S (Manufacturing E xecution Systems) e E R P (E nterprise Resource Planning) oferecem interfaces OPC C liente e/ou S ervidor ( MA HNK E ; L E IT NE R ; D A MM, 2009).
No padrã o OPC a troca de informações é baseada na arquitetura cliente-servidor, em que um S ervidor OPC encapsula as informações e as disponibiliza em sua interface. Um OPC C liente conecta-se ao S ervidor OPC e acessa os dados oferecidos (GONÇ A L V E S , 2012).
T rê s principais especificações OPC foram desenvolvidas inicialmente com base na tecnologia de comunicaçã o entre processos C OM/D C OM da Microsoft sobre plataforma W indoRs e ficaram conhecidas como OPC C lássico: D ata A ccess (D A ), A larm & E vents (A E ) e Historical D ata A ccess ( HD A ) (F undaçã o OPC ).
A F igura 2.9 ilustra o OPC D A onde temos as aplicações cliente e servidor instalados no mesmo computador trocando util izando a tecnologia C OM para a troca de informações.
Partindo do OPC clássico foi idealizada uma nova versã o do Padrã o OPC , o OPC UA (Unified Architecture), desvinculada de tecnologias proprietárias e desenvolvida em J A V A , .NE T e C com base na A rquitetura Orientada a S erviço (SOA ) e incorporando tecnologias como X ML ( E xtensible Mark Up L anguage) ( F undaçã o OPC ) .
F onte: ( PUD A ,2008)
A F igura 2.10 apresenta a camada de comunicaçã o do padrã o OPC que padroniza e integra os diversos sistemas.
F onte: ( PUD A ,2008)
A grande maioria dos produtos utiliza o OPC C lássico, no entanto eles podem migrar para o OPC UA , por meio do desenvolvimento de W rappers ( A cesso S ervidor C OM de um C liente UA ) e Proxies (A cesso S ervidor UA de um C liente C OM) (GONÇ A L V E S , 2012).
Uma das vantagens no uso da comunicaçã o OPC é a facilidade na configuraçã o do driver. A base de T ags é criada no servidor e exportada para o driver OPC C liente (tags com a mesma estrutura definida no servidor OPC ) . Uma outra vantagem é que trata-se de um protocolo aberto, sendo conhecido e suportado por diversos fabricantes (E L IPS E ).
O E lipse PoRer atende à s seguintes especificações do padrã o OPC : - E 3 C liente OPC : D A 1.0, D A 2.0 e UA 1.02
- E 3 S ervidor OPC : D A 2.0
- E lipse S C A D A C liente OPC : D A 1.0 (parcial) e D A 2.0 - E lipse S C A D A S ervidor OPC : D A 2.0
- E lipse D rivers OPC : D A 2.0
Para integraçã o entre o S R A -PIC I e o sistema S C A D A -PIC I foi utilizado o OPC D A 2.0, que será detalhado abaixo. Para implementar a comunicaçã o OPC foi utilizada a biblioteca OPC dotNE T L ib.dll disponível no site da F undaçã o OPC .
A interface do OPC D ata A ccess permite leitura, escrita e monitoramento das variáveis do processo. O seu principal uso é mover em tempo real dados de equipamentos de controle para IHMs e outros supervisórios (OPC D A T A A C C E S S C US T OM INT E R F A C E S T A ND A R D , 2002).
O OPC D A é a mais importante interface OPC , implantada em 99% dos produtos que utilizam a tecnologia OPC atualmente (MA HNK E ; L E IT NE R ; D A MM, 2009).
O C liente OPC D A seleciona as variáveis (OPC Itens) que deseja ler, escrever ou monitorar no S ervidor. O C liente OPC estabelece a comunicaçã o com o S ervidor pela criaçã o do objeto OPC Server. O Objeto OPC Server fornece métodos para navegar através de espaços de endereço e encontrar itens e suas propriedades, como: tipo de dados e direitos de acesso. Para acessar os dados, os OPC Itens possuem a mesma configuraçã o, inclusive tempo de atualizaçã o no objeto OP C Group (GONÇ A L V E S , 2012).
Quando adicionados a um grupo, os itens podem ser lidos ou escritos pelo cliente. O caminho preferido para a leitura cíclica de dados pelo cliente é monitorando as mudanças de estado no servidor. O cliente define uma taxa de atualizaçã o do grupo, contendo os itens de interesse. A taxa de atualizaçã o é usada no servidor para o check cíclico de mudança de valores/estado. D epois de cada ciclo, o servidor apenas atualiza os valores do cliente (GONÇ A L V E S , 2012).
2.7 S istema integr ado de pr oteçã o automaçã o e contr ole do C ampus do Pici
Nesta seçã o serã o descritos a estrutura hierárquica e os principais equipamentos presentes nos vários níveis do sistema de automaçã o do C ampus do Pici.
2.7.1 R ede elétrica de distribuiçã o de MT do C ampus do Pici
A rede elétrica de distribuiçã o de MT do campus do Pici é aérea, radial e tem extensã o aproximada de nove quilômetros, com potê ncia instalada em torno de 16,5 MV A , demanda no patamar de 4,5 MW e atende o maior campus dentre os trê s da UF C situados em F ortaleza. A F igura 2.11 ilustra a topologia e o diagrama unifilar do sistema de distribuiçã o do campus do Pici, com a disposiçã o física dos nove reli gadores, dois dos quais sã o de encontro de alimentadores, operando no modo normalmente aberto.
(a)
(b)
F onte: A daptada de ( L OPE S, 2011)
2.7.2 E strutura hierárquica e topológica do sistema de automaçã o do C ampus do Pici
C onforme ilustrado na F igura 2.11, a rede elétrica de distribuiçã o em MT do C ampus do Pici, abrangendo a subestaçã o e a rede de distribuiçã o, é um sistema de pequeno porte com poucos equipamentos primários a serem integrados ao sistema S C A D A , no nível 2 do sistema de automaçã o. Por esta razã o, no nível estaçã o concentram-se a UC S e UC D em um mesmo computador industrial. C onforme mostrado na F igura 2.1, a estrutura hierárquica do sistema de automaçã o do campus do Pici vai até o nível dois.
Na F igura 2.12 tem-se a conexã o de uma microrrede que está sendo montada no laboratório de engenharia elétrica e será em breve agregada ao sistema, sendo portanto de instalaçã o futura, tendo um S C A DA dedicado que será futuramente integrado ao S C A D A -PIC I, conforme detalhado em (OL IV E IR A , 2014)
F onte: A daptada de ( L IB E R A T O, 2014)
2.7.3 E quipamentos primários do nível de processo
O nível 0 ou processo do sistema de automaçã o do campus do Pici é composto dos equipamentos primários descritos a seguir.
2.7.3.1 C haves seccionadoras
S ã o dispositivos de comando utilizados para isolar trechos do sistema ou como by pass de equipamentos como disjuntores ou religadores de modo a manter a continuidade de serviço no momento do isolamento deste equipamento para manutençã o. ( G IR OUX , 2012)
No sistema do campus sã o utilizadas para isolar sub-trechos entre dois religadores. A F igura 2.13 ilustra chaves instaladas pela rede do campus.
F igura 2.13 – C have seccionadora monopolar – classe 15kV Sistema para fixaçã o da vara de manobra
Placa de identificaçã o Terminal de carga
Lâmina
Base da chave
Isolador Terminal de fonte Contato fixo
Orifício de fixaçã o
F onte: ( MA ME D E , 2005).
2.7.3.2 Religadores
S ã o equipamentos de proteçã o e manobra projetados para abrir e fechar circuitos em sobrecarga ou em curto-circuito. C om capacidade de religamento automático, ou seja, após a interrupçã o do circuito devido a uma condiçã o de falta, o dispositivo religa automaticamente com um tempo pré-determinado para verificar se a condiçã o de falta foi extinta. S e a falta persistir após a tentativa de religamento, o equipamento realiza a operaçã o novamente por um número pré-programado de vezes (normalmente 3 ou 4). O ciclo de religamento é conferido ao relé/controle do equipamento.
E sses dispositivos sã o regidos pela norma NB R 7118/94 - R eligadores de A lta T ensã o - E specificaçã o. A s F iguras 2.14, 2.15 e 2.16 ilustram os religadores adquiridos.
F onte: T avrida ( 2009) .
L egenda: 1- Painel frontal do relé S E L -751; 2 - Painel traseiro do relé SE L -751; 3 – T C auxiliar com R T C igual a 1:3; 4 – B anco de baterias seladas de chumbo-ácido; e 5 – Módulo de acionamento com trip capacitivo. F onte: ( OL IV E IR A NE T O, 2015) .
L egenda: 1 – C onexã o principal
2 – B uchas em material polimérico 3 – T C s integrados
4 – Interruptor a vácuo 5 – T anque em alumínio
6 – Indicador de posiçã o (aberto/fechado) 7 – A lavanca de operaçã o manual 8 – C onector Harting
9 – C ontador de operações ( opcional)
( a)
( b) 1
2
5
4 3
( b) F igura 2.14 – R eligador T avrida
F onte: ( OL IV E IR A NE T O, 2015) .
2.7.4 E quipamentos S ecundários do Nível B ay
O nível 1 ou bay (vã o) do sistema de automaçã o do campus do Pici é composto do equipamento secundário IE D S E L 751.
O IE D S E L 751 da S chReitzer apresenta, além das funções básicas de sobrecorrente instantânea e temporizada de fase e de neutro, as funções listadas abaixo: - 50/51 S obrecorrente de fase instantânea e temporizada;
- 50/51G S obrecorrente residual instantânea e temporizada calc. ou medida; - 50/51N (ou GS) S obrecorrente instantânea e temporizada de neutro ou terra; - 50/51Q (46) S obrecorrente instantânea e temporizada de sequê ncia negativa;
- 50PA F Sobrecorrente de fase inst. de alta velocidade para detecçã o de arco elétrico; - 49 E lemento térmico (opcional), com a utilizaçã o de R T D s;
- 67 D irecional de corrente;
- 81 S ub / S obrefrequê ncia e taxa de variaçã o de frequê ncia; - 27/59 S ubtensã o e sobretensã o fase-neutro ou entre fases;
- 55 F ator de potê ncia;
- 60 Perda de potencial;
- 59Q (47) S obretensã o de sequê ncia negativa ( fase reversa); L egenda: 1 – Para-raio lado carga 2 – Para-raio lado fonte 3 – C have seccionadora by-pass 4 – C have seccionadora lado fonte 5 – C have seccionadora lado carga 6 – R eligador
7 – F ibra ótica para comunicaçã o 8 – Unidade de controle do religador 1
2
3
4 5
6
7 8
- 59N S obretensã o de sequê ncia zero;
- 86 B loqueio;
- 50/62B F F alha de disjuntor;
- 79 R eligamento automático (4 tentativas);
- 32 D irecional de potê ncia;
- 25 C heck de sincronismo;
- A F D D etecçã o de arco elétrico.
Para parametrizaçã o do dispositivo é utilizado o softRare acS E L erator Quickset – S E L -5030, ilustrado na F igura 2.17. J á as configurações de comunicaçã o via IE C 61850 (Goose ou MMS ) sã o realizadas no softRare A cSE L erator A rchitect® –S E L -5032, como mostra a F igura 2.18. A S E L fornece manual desses softRares e lista as seguintes funcionalidades:
S oftRare acS E L erator Quickset – S E L -5030: - C riar e gerenciar ajustes do relé;
- D esenvolver ajustes off-line;
- Programar lógicas de controle facilmente através das equações - S E L ogic;
- C oletar e armazenar eventos de oscilografias;
- A rmazenar e coletar ajustes através de computadores pessoais; - L er e enviar todos os ajustes ao relé;
- A nalisar eventos e oscilografias;
- Utilizar a interface homem máquina ( IHM) para visualizar medições, - R elay W ord B its e controle;
- C ontrole de disjuntores, através de chaves remotas.
F onte: Própria do autor (T ela do SoftRare SE L 5030)
S oftRare acS E L erator A rchitect® –S E L -5032: - C riaçã o e ediçã o de D ataS ets;
- C riaçã o de pacote para transmissã o de mensagens Goose;
- Mapeamento e links Goose entre IE D s S E L e nã o fabricados pela S E L ; - C riaçã o de arquivos C ID ;
- L eitura de arquivos de configuraçã o da subestaçã o (S C D , IC D , C ID ).
F onte: Própria do autor (T ela do SoftRare SE L 5032) 2.7.5 E quipamentos e Sistemas do Nível E staçã o
Para o desenvolvimento do S C A D A -PIC I foi escolhida a plataforma comercial E lipse PoRer, esta escolha foi embasada pelas afinidades entre ferramentas utilizadas nos estudos em desenvolvimento no GR E I, tal como o uso da modelagem de dados C IM (C ommon Information Model), linguagem C # e comunicaçã o via OPC (usadas na integraçã o do S R A -PIC I) , e ainda por ser um produto nacional bastante utilizado, bem sedimentado no mercado nacional e internacional, com equipe de suporte acessível.
O softRare E lipse PoRer é uma plataforma completa de criaçã o e desenvolvimento de aplicações com funções de supervisã o, controle, análise e gerenciamento de sistemas elétricos, podendo ser utilizado tanto para aplicações de pequeno porte, como
automaçã o de uma única subestaçã o, quanto para aplicações de grande porte como sistemas E MS (E nergy Management S ystem) ou D MS (D istribution Management S ystem) (E L IPS E ).
O E lipse PoRer é concebido em uma arquitetura integrada que possibilita acesso rápido e fácil aos operadores e mantenedores de concessionárias, geradoras e distribuidoras de energia. F uncionalidades como aquisiçã o de dados em tempo real, geraçã o de relatórios, logs de erros, alarmes e integraçã o com sistemas corporativos possibilitam ganhos na segurança e na eficiê ncia operativa da rede (E L IPS E ).
O softRare permite uma completa integraçã o entre sistemas distintos, através da correta adoçã o de técnicas de integraçã o de sistemas, aplicando-se os protocolos corretos para cada peculiaridade da ferramenta (E L IPS E ).
A comunicaçã o entre E lipse PoRer e IE D é baseada em alguns pré-requisitos, que sã o destacados a seguir:
- Possibilidade de elaborar aplicações de geraçã o, transmissã o e distribuiçã o de energia em uma plataforma única;
- A rquitetura cliente-servidor;
- Utilizaçã o do padrã o C IM – C ommom Information Mode no modelo elétrico;
- Oferece suporte nativo ao balanceamento de cargas entre servidores e a redundância; - Possibilidade de integraçã o a outros sistemas em tempo real;
- C ompleta integraçã o com inúmeros protocolos distintos, a exemplo de IE C 61850, 103 e 104, D NP 3.0, Modbus e ainda permite desenvolvimento de novos drivers a critério do usuário.
Para acrescentar ao S C A D A -PIC I as funcionalidades de alarmes, histórico de eventos, emissã o de relatórios, dentre outras foi desenvolvido o banco de dados S E _ 69kV _ PIC I apresentado em ( L IB E R A T O, 2014).
E ntre as vantagens no uso de banco de dados pode-se citar: - C ontrole de acesso à s informações
- Otimizaçã o de consultas - S egurança de dados - S uporte a rede
