Sistema Gerador De Base Fonte Do Sage

MODELAGEM OTIMIZADA PARA GERAÇÃO DA BASE FONTE SCADA/EMS DO SAGE

Eng. MSc. Ricardo Lastra Olsen

Eng. MSc. Assis Rogério Gomes da Silva Paulo

CEEE-GT

CEEE-GT BRASIL

RESUMO Este artigo descreve a modelagem e a implantação de um sistema para cadastro e geração da base fonte para o SAGE do CEPEL, inserido no sistema de supervisão e controle hierárquico da CEEEGT. A representação dos dados foi separada em Modelo do Sistema Elétrico e Modelo do Sistema SCADA. A padronização para os tipos de pontos supervisionados é mostrada. São detalhadas as principais tecnologias utilizadas e aplicativos desenvolvidos na implantação do sistema. Vantagens como maior consistência dos dados, velocidade de preenchimento e facilidade de manutenção são apresentadas.

PALAVRAS CHAVE

Base de dados fonte - SAGE - Supervisão - SCADA - EMS - Centros de Controle - Automação.

CEEE-GT:Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica. Depto. de Supervisão e Controle Av. Joaquim Porto Villanova, 201. Prédio F, Sala 207. Porto Alegre-RS. (51)[email protected].

1. Introdução A Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul (CEEEGT) possui um sistema de supervisão e controle em tempo real que foi desenvolvido pela equipe própria da empresa, o qual está em operação desde 1997. Devido a uma redução na equipe de desenvolvimento e dada a obsolescência deste sistema, optou-se por substituí-lo pelo sistema SAGE do CEPEL. O sistema de supervisão da CEEE-GT é um sistema hierárquico com seu COS ligado aos seus Centros de Atendimento (CA’s) Regionais. Tanto o COS quanto os CA's adquirem dados das UTR's das subestações. Considerou-se importante que a base fonte levasse em conta a hierarquia do sistema de supervisão, de forma a evitar a replicação dos dados de topologia e demais configurações para as subestações supervisionadas simultaneamente nos CA's e no COS. Por sua vez, a base de dados do SAGE reflete apenas uma única instalação do sistema e não um sistema hierárquico. Sabe-se também que a crescente digitalização dos equipamentos de subestações vem aumentando a dificuldade em documentar e manter as bases de dados de cada componente (UTR’s, relés digitais de proteção, unidades de bay, multimedidores) do sistema SCADA. Identificou-se que este problema poderia ser atacado através da padronização dos sinais e da modelagem das bases de dados destes equipamentos e de suas interconexões. Desta forma, resolveu-se criar uma nova base de dados padronizada para servir como fonte para o sistema SCADA hierárquico. Esta nova base rompe com o modelo antigo de uma UTR por subestação. Para refletir este contexto foi necessário separar em modelagens distintas o sistema elétrico de potência e o sistema SCADA. Sobre esta base de dados operam uma aplicação de edição dos dados do sistema elétrico, uma aplicação de edição dos dados do sistema SCADA e um script de geração da base SAGE, na forma dos seus arquivos DAT.

2. Modelagem do Sistema Elétrico-EMS Esta modelagem define o significado dos pontos de supervisão no sistema elétrico de potência, representando também a topologia do mesmo. O modelo é composto por instalações, módulos (bays) e conectores. Ver figura 1. Instalações: são as unidades que compõem o sistema elétrico, subestações ou usinas. Ex: GRA2=Subestação Gravataí 2, UDFR=Usina Dona Francisca. Módulos: são os vãos ou bays das subestações, ex. LT’s, transformadores, alimentadores, bancos de capacitores, etc. Equivalem aos equipamentos (EQP) do SAGE. Cada módulo é ligado a uma instalação. Conectores: são os disjuntores e seccionadoras. Cada conector está ligado a um módulo. Os pontos de supervisão estão sempre ligados ao conector. Existe também um conector especial que serve para associar os pontos diretamente ao módulo em vez de a um disjuntor ou seccionadora.

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Figura 1 - Exemplo da modelagem do Sistema Elétrico - EMS

2.1.

A modelagem EMS no SAGE

O SAGE, além das funcionalidades da parte de aquisição de dados (sistema SCADA), possui módulos que são responsáveis pelas Funções de Análise de Redes, conhecidos também como EMS (Energy Management Systems). Compõem o módulo EMS do SAGE os programas: Configurador de Redes, Estimador de Estados, Análise de Contingências e Controle de Emergência. Para que a funcionalidade do EMS do SAGE esteja disponível de maneira confiável aos operadores do sistema (1), faz-se necessário realizar com exatidão a modelagem do Sistema Elétrico, de modo que o SAGE possa obter a disposição física dos equipamentos em associação à telemedição implantada. A modelagem EMS do SAGE é feita sobre a sua base fonte em três aspectos distintos: -

entidades de equipamentos (TR2, TR3, LTR, BCP, REA, etc.) contendo a identificação e parametrização dos mesmos;

-

entidades PAS e PDS com os estados e medições aquisitados pelo sistema SCADA. Neste caso devem ser indicados através dos atributos que fazem o relacionamento da medida ao equipamento modelado para o EMS. Os atributos são EQP (equipamento), TPEQP (tipo de equipamento) e EST (estação associada, nível de tensão);

-

entidade LIG com as ligações dos conectores e equipamentos considerados no modelo.

Percebe-se que são várias entidades a serem configuradas. A edição, seja dos arquivos DAT, planilhas, ou mesmo pelo programa STI, é uma tarefa árdua e susceptível à inserção de erros, devido à quantidade de parâmetros, seus relacionamentos e ao tamanho do sistema elétrico modelado.

2.2.

Aplicação de edição do modelo do sistema elétrico / EMS

O software, desenvolvido pela CEEE-GT, objetivou disponibilizar uma ferramenta ágil para que o preenchimento dos dados fosse feito de uma forma consistente e sem a necessidade de edição direta das entidades do SAGE. Ao cadastrar uma nova subestação é preciso criar inicialmente uma nova instalação e as respectivas estações do modelo EMS (darão origem às entidades INS e EST). 3

Em seguida são inseridos todos os módulos da subestação, ver fig. 2. Para os módulos pertencentes ao modelo EMS são cadastrados o nome (EQP), o tipo de entidade correspondente do SAGE (BCP, CAR, CSI, LTR, RAM, REA, SBA, TR2, TR3, UGE) e o nome da sua LIG (entidade LIG do SAGE, representam os nós elétricos do modelo EMS que ligam os equipamentos e conectores). No caso, cada módulo possui apenas uma LIG pois separamos em diferentes módulos cada lado de uma linha de transmissão (LTR) e transformador (TR2/TR3). Exemplo a LTR Gravataí 2 (GRA2)- Porto Alegre 10 (PA10) é cadastrada como módulo de linha PA10 na SE GRA2 e módulo de linha GRA2 na SE PA10. Para o transformador cada lado é cadastrado como um módulo, por exemplo o Trafo 1 da SE GRA2 é cadastrado em 3 módulos separados, um para o lado de 230kV, outro para o 69kV e ainda outro para o 13,8kV, onde em cada módulo são ligados os respectivos disjuntores e seccionadoras. Adicionalmente, devem ser cadastrados os parâmetros do equipamento, tais como: R, S e X para LTR; RPS, XPS, TAT, TPAS para TR2, e de forma análoga para as demais entidades. Posteriormente, para cada disjuntor e seccionadora, ao serem inseridos em um módulo, são cadastrados o nome das duas LIG's que representam os nós elétricos aos quais o conector está ligado. Com estas informações serão geradas as entidades LIG e CNC do SAGE.

Figura 2 - Editor do modelo EMS Os pontos de supervisão, ao serem cadastrados, são caracterizados pelo tipo da informação supervisionada, através de listas de múltipla escolha e são sempre ligados ao conector correspondente. As listas de escolhas de tipos são apresentadas de acordo com o tipo de módulo e conector a que pertencem. Ex: ao cadastrar um ponto do disjuntor somente são apresentados os tipos de dados possíveis para disjuntores (posição, mola descarregada, baixa pressão de SF6, falha no circuito de abertura, etc.). Obviamente, neste caso, não é possível cadastrar um tipo de informação como posição da seccionadora, pois o conector do ponto já foi definido como disjuntor. Ao serem cadastrados, os estados e as medidas já são associados ao respectivo conector. Através desta ligação são gerados os atributos EQP e TPEQP para as entidades PDS e PAS. 4

Os pontos, após ligados aos conectores e tipados, recebem automaticamente o ID do SAGE e a descrição textual. A tipagem das informações permite ainda a verificação de erros como a presença de duplicação de pontos na base da subestação. Convenientemente, programam-se neste modelo os dados intrínsecos ao ponto supervisionado, isto é, que independem do local de operação. Ex.: o estado normal do ponto (aberto ou fechado) é um dado da tabela de Pontos_em_nós pois esta informação é a mesma tanto para o COS como para o Centro Regional, portanto basta cadastrá-la apenas uma vez. Já os limites de alarme para a tensão de barra podem ser diferentes para o Centro Regional e para o COS. Sendo assim, esta informação é cadastrada junto ao modelo SCADA. O uso deste aplicativo para a modelagem do Sistema Elétrico da CEEE agilizou o processo de modelagem de 120 barras, com aproximadamente 1000 medições analógicas consideradas e mais de 2500 estados de conectores, tendo sido realizado em menos de 04 meses (de dezembro de 2005 a março de 2006) por apenas uma pessoa. Ressalta-se que a de modelagem do Sistema Elétrico de Potência não é um processo definitivo: a atualização se faz necessária a qualquer alteração da configuração do mesmo. Este foco deve ser perene para que os usuários possam utilizar as funções de análise de redes de maneira confiável.

3. Modelagem do Sistema de Supervisão-SCADA Conforme pode ser observado na fig. 3, a arquitetura do sistema da CEEE-GT para sistemas de automação de subestações representa um exemplo da complexidade destes sistemas nos dias de hoje. Antigamente, todos os sinais supervisionados eram aquisitados diretamente pela UTR. Atualmente, os mesmos podem estar conectados, por exemplo, aos seguintes elementos: relé de proteção, multimedidor, unidade de controle de bay, UTR/sistema de acessante dos sistema de transmissão, etc. Estas verdadeiras teias de conexões entre os IED's (Intelligent Electronic Devices) tornam cada vez mais difícil documentar e manter as bases de dados destes sistemas.

Figura 3 - Visão esquemática parcial do sistema de supervisão e controle da CEEE-GT Para descrever o sistema SCADA procurou-se uma modelagem genérica, capaz de servir como fonte para qualquer sistema (não apenas para o SAGE) e sendo tão simples quanto possível. Neste modelo 5

descreve-se o sistema SCADA através de seus componentes, aqui chamados de "Nós de Supervisão" e de suas conexões com os respectivos pontos lógicos e físicos associados, ver fig. 4. Os conceitos para estes termos são os seguintes: Nó de supervisão: é um elemento inteligente do sistema de supervisão que aquisita e pode disponibilizar estados digitais e/ou medidas e/ou comandos a outros elementos através de suas conexões. Ou seja, possui um conjunto de pontos lógicos (subconjunto do total de pontos do sistema) e 'n' conexões com outros dispositivos. Conexão: é uma ligação entre dois "nós" de supervisão que suporta o transporte de estados digitais, medidas e comandos através de um protocolo de comunicação. As conexões no modelo são unidirecionais, levando dados em um sentido e comandos no contrário. Conexões bidirecionais de protocolos balanceados são modeladas através de duas conexões unidirecionais. Os pontos transportados são chamados, analogamente à terminologia do SAGE, de pontos físicos. Ponto lógico: é o ponto interno ao "nó" de supervisão. Normalmente é um ponto aquisitado, mas pode ser também um ponto com origem no próprio "nó", do tipo calculado, manual ou estimado. Nestes casos, o ponto lógico não possui ponto físico de aquisição associado. Ponto Físico: é o ponto que transporta uma informação de um nó para outro em uma conexão que utiliza um protocolo de comunicação. O ponto físico associa um ponto lógico da origem com outro no destino. Cada ponto físico possui um tipo que é a unidade de informação de aplicação (ASDU) escolhida entre uma das disponibilizadas pelo protocolo empregado, ex: M_SP_NA_1=Informação de estado digital simples e M_ME_NA_1=Informação de valor normalizado, ambas do protocolo IEC 60870-5-101. Com estes dados devidamente cadastrados, torna-se possível descrever o trajeto do ponto supervisionado desde o seu IED de origem, passando por eventuais unidade de controle de bay, UTR ou concentrador de subestação e centro regional até chegar ao COS. Através de um script gerador adequadamente desenvolvido, pode-se criar a base de dados de carga para qualquer um dos sistemas dos IED's, UTR's, concentradores e centros de controle envolvidos.

Figura 4 - Diagrama E-R simplificado dos modelos EMS e SCADA 6

Com esta metodologia obtém-se maior consistência nas bases de dados, rastreabilidade das informações e maior flexibilidade e velocidade tanto na fase de implantação como na manutenção e eventuais reconfigurações das conexões do sistema, como por exemplo passagem da varredura de uma UTR de subestação de um centro para outro ou mesmo a substituição da UTR por uma de outro fabricante.

3.1.

Aplicação de edição da base SCADA

Este editor permite cadastrar os "nós de supervisão", os seus pontos lógicos, as conexões e seus pontos físicos.

Figura 5- Editor do modelo SCADA: edição de pontos lógicos

Figura 6- Editor do modelo SCADA: edição de conexões

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Primeiramente deve ser cadastrado o nó. Passando para a aba "Pontos Lógicos", conforme mostrado na fig. 5, no painel da direita, são escolhidos os pontos lógicos para o nó dentre os disponíveis no sistema total (cadastrados no editor do modelo EMS). Os que forem sendo inseridos somem deste painel, passando ao painel da esquerda. Sobre os pontos disponíveis, para facilitar a escolha, aplicamse filtros por subestação, tipo, origem, endereço, etc. Após descritos os nós, cadastram-se as conexões, ver fig. 6, informando nó origem, nó destino, protocolo utilizado, e demais parâmetros de canais de comunicação e varredura necessários. Para cada conexão, cadastram-se os pontos físicos, ver fig. 7, informando os pontos lógicos associado nos nós de origem e destino, endereço no protocolo, fatores de conversão e o tipo de ASDU desejado para o transporte da informação.

Figura 7 - Editor do modelo SCADA: edição de pontos físicos

4. Padronização dos Sinais No sistema antigo da CEEE os sinais não possuíam identificadores textuais (tag’s), sendo relacionados apenas por um número ao qual estava associada uma descrição em um campo de texto livre. Isto ocasionou que um mesmo tipo de sinal era descrito de ‘n’ formas diferentes em ‘m’ subestações, dependendo de quem havia elaborado a base, dos fabricantes e dos integradores dos equipamentos. Até mesmo dentro da mesma subestação, no caso de ampliação, a mesma informação era cadastrada de forma inconsistente nos bays novos em relação aos antigos. Esta despadronização leva aos seguintes problemas: - incompreensão dos sinais. Apenas quem implementou sabe o que significam todos os sinais. Após algum tempo somente analisando o projeto é possível saber o que representa cada sinal; - dificuldade na definição dos sinais que serão implementados no sistema da subestação; - confusão para os operadores que devem interpretar sinais iguais apresentados com descrições diferentes; 8

- impossibilidade de automatizar a geração e a verificação da consistência das bases de dados. A padronização criou um número limitado de tipos de sinais possíveis. Ou seja, cada sinal existente no sistema de automação da subestação deve se enquadrar em um tipo disponível. Quando surge um novo tipo, o mesmo é acrescentado na base. Na prática, cerca de 800 tipos distintos já foram identificados. A cada tipo está associado um mnemônico para compor o tag do ponto. Os mnemônicos de 4 caracteres foram inspirados nos nomes dos Logical Nodes da norma IEC 61850.

5. Gerador da Base Sage Todas as informações necessárias para a criação das bases de dados estão no banco de dados relacional. Os bancos de dados utilizados são o MySQL e o PostgreSQL. O banco MySQL já vinha sendo utilizado no desenvolvimento da interface com a rede corporativa da CEEE (2) e o PostgreSQL passou também a ser usado por ter sido adotado pelo SAGE. Futuramente serão migradas todas as tabelas e aplicações para o PostgreSQL. Para a criação da base SAGE na forma de arquivos DAT, optou-se por utilizar um script na linguagem PHP. Esta ferramenta é uma das mais utilizadas para desenvolvimento de aplicações da Web. Todavia, também é muito propícia para uso como linguagem de programação de scripts. As principais vantagens obtidas pela utilização do PHP são: -

software livre, amplamente difundido, multiplataforma;

-

acesso nativo aos bancos de dados PostgreSQL e MySQL;

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alto nível de programação, fácil aprendizagem;

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linguagem interpretada, rápida prototipagem e manutenção;

-

extenso conjunto de bibliotecas para praticamente todo tipo de necessidade de programação. Editor do modelo EMS

Editor do modelo SCADA

SGBD SQL

Cálculos, Fórmulas, Instalações, Estações, Módulos, Conectores, Nós, Pontos_em_Nós, Tipos_Ponto, Conexões, Pontos_em_Conexões

Script Gerador PHP

Arquivos DAT do SAGE

RCA, TCL, INS, MAP, TAC, TELA, USI, GRUPO, EST, BCP, CAR, CSI, LTR, RAM, REA, SBA, TR2, TR3, UGE, LIG, CNC, CGS, PAS, PDS, E2M, GRCMP, OCR, TCTL, NV1, NV2, CNF, CXU, ENU, LSC, TDD, UTR, CGF, PAD, PAF, PDD, PDF

Figura 8 - Esquema de edição / geração de bases de dados 9

Para cada entidade da base SAGE é feita uma consulta SQL ao banco de dados trazendo as informações necessárias para a sua criação. Os dados são processados pelo script para criar o arquivo DAT, ver fig.8. Ao acionar o script gerador, informa-se qual o sistema que deve ser gerado, se o do COS ou o de um dos Centros de Atendimento Regionais. Na tabela I estão listadas as entidades do SAGE derivadas pelas tabelas da base fonte relacional da CEEE-GT.

E M S

Tabelas da Base Fonte CEEE Cálculos Fórmulas Estações EMS Módulos

S C A D A

Conectores Instalações Nós Pontos_em_Nós Tipos_Ponto Conexões Pontos_em_Conexões

Entidades do SAGE Geradas RCA TCL EST BCP, CAR, CSI, LTR, RAM, REA, SBA, TR2, TR3, UGE, LIG CNC, LIG INS, MAP, TAC, TELA, USI, GRUPO LSC, TAC, TDD, CNF, UTR CGS, PAS, PDS, E2M, GRCMP OCR, TCTL, NV1, NV2, E2M CXU, ENU CGF, PAD, PAF, PDD, PDF, NV1, NV2

Tabela I - Relação das entidades do SAGE com as tabelas da base fonte proposta.

6. Conclusões O desenvolvimento deste sistema para a geração da base fonte foi fundamental na implantação do SAGE na CEEE-GT. Foram utilizadas para configurar a base do COS, hoje com 28.000 pontos lógicos e 37.000 pontos físicos, basicamente duas pessoas. A parte SCADA foi configurada num período de cerca de 1 ano e a EMS em 4 meses. O sistema de geração continua sendo aperfeiçoado e está sendo intensamente utilizado para a migração da varredura das UTR's do sistema antigo para o SAGE, bem como para a ampliação e manutenção do sistema de supervisão e controle. Não há dados precisos para comparar a quantidade de homens-hora que seriam utilizados em um processo convencional de configuração de base do SAGE com o descrito neste artigo. Todavia, verificou-se que a utilização dos editores dos modelos SCADA e EMS, onde os dados são apresentados na forma tabular, permitindo a visualização simultânea de diversos registros e dos interrelacionamentos entre as tabelas, além da utilização de listas de múltipla escolha e de filtros, agilizou sobremaneira a entrada de dados. Obteve-se ainda uma maior consistência das informações. O sistema, pela utilização de banco de dados relacional, permite a manipulação da base por múltiplos usuários simultâneos. As consultas e atualizações são imediatas, evitando a proliferação de versões de arquivos texto e de planilhas. As tabelas da base são replicadas em um servidor reserva e backups são feitos periodicamente para garantir a disponibilidade e a preservação dos dados. A padronização e a forte tipagem dos pontos supervisionados permitiu que diversas aplicações extraiam informações sobre os mesmos e sobre a topologia do sistema elétrico para se autoconfigurarem, evitando assim muito trabalho manual. Ex: criação automática de telas tabulares e relatórios de consulta aos dados históricos. Como perspectiva futura, já em estudo, pretende-se integrar os bancos de dados dos diversos setores da empresa (Engenharia de Sistema, Proteção, Manutenção, Operação e Supervisão) com o objetivo de evitar a duplicação de dados e esforços de manutenção, bem como reduzir as inconsistências e a falta de padronização dos dados. Por exemplo, os dados da base EMS do SAGE, tais como os parâmetros 10

de linha de transmissão, seriam obtidos durante a geração dos arquivos DAT diretamente da base mantida pelo pessoal de Engenharia de Sistemas. BIBLIOGRAFIA [1] A.R.G. S. Paulo, A.V.Zampieri, S.R.O.Lopes e R.L.Olsen, Estimador de Estados Como Apoio a Operação em Tempo Real da CEEE - Cases de Utilização e Não-Utilização, IX EDAO, Rio Quente, GO, Março de 2007. [2] R.L. Olsen, Integração dos dados da Supervisão de Tempo Real à Intranet Corporativa da CEEE, V SIMPASE, Brasil. [3] CEPEL, Manuais de configuração do SAGE. DADOS BIOGRÁFICOS Nome: Ricardo Lastra Olsen Naturalidade: Porto Alegre – RS Formação: Engenharia Elétrica – UFRGS – 1990 – P. Alegre. Mestre em Engenharia – Instrumentação Eletro-Eletrônica – UFRGS – 1992 – Porto Alegre. Área de Atuação: Engenheiro do Departamento de Supervisão e Controle da CEEE-GT. Nome: Assis Rogério Gomes da Silva Paulo Naturalidade: Goiânia - GO Formação: Engenharia Elétrica - UFG - 2003 - Goiânia. Mestre em Engenharia - Sistemas de Energia Elétrica - UFSC - 2006 - Florianópolis. Área de Atuação: Engenheiro do Departamento de Supervisão e Controle da CEEE-GT.

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