Integração do Ambiente Gráfico Interativo para Treinamento de Operadores (AGITO) ao Simulador de Sistemas Elétricos (SIMULOP)

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1 Integração do Ambiente Gráfico Interativo para Treinamento de Operadores (AGITO) ao Simulador de Sistemas Elétricos (SIMULOP) Whesley Cunha Dantas 1, Caio Eduardo Falcao 1, Geraldo Braz Júnior 1, Aristófanes Corrêa Silva 1,Antônio Sergio Araújo 2 1 Núcleo de Computação Aplicada (NCA) Universidade Federal do Maranhão (UFMA) Caixa Postal São Luís MA Brasil 2 São Francisco Hydroelectric Company -Rua Delmiro Gouveia, San Martin - Recife - Pernambuco - Brazil {whesleydantas,caioefalcao,geraldo,ari}@nca.ufma.br asergio@chesf.gov.br Abstract. Virtual Reality Environments offer, among others, new study tools and training to professionals in several areas with the use of simulators. This paper presents an architectural model developed for the integration of a virtual reality environment of a simulator of power systems, for operators training of electrical substation. The proposal demonstrates a communication model between both, running in the virtual environment, making the learning/training more interactive and effective. With this integrated environment, instructors can conduct a better evaluation of the tricks performed by operators, reducing the exposure, of the risks inherent in training on real equipment. The integration was performed through the client/server communication using the TCP/IP network. Messages are transmitted using the JSON format. Keywords: Reality Virtual Systems, AGITO, SIMULOP Resumo. Ambientes de Realidade Virtual oferecem, dentre outras, novas ferramentas de estudo e treinamento para profissionais de diversas áreas com o uso de simuladores. Este artigo apresenta um modelo arquitetural desenvolvido para a integração de um ambiente de realidade virtual a um simulador de sistemas elétricos, para treinamento de operadores de subestação elétrica. A proposta apresentada demonstra um modelo de comunicação entre ambos, sendo executadas no ambiente virtual, tornando assim o aprendizado/treinamento mais interativo e efetivo. Com este ambiente integrado, instrutores podem realizar uma melhor avaliação das manobras exercidas pelos operadores, diminuindo a exposição destes, a riscos inerentes a treinamentos em equipamentos reais. A integração foi realizada através da comunicação cliente/servidor utilizando o protocolo de rede TCP/IP. As mensagens são transmitidas usando o formato JSON. Palavras-chave: Sistemas de Realidade Virtual, AGITO, SIMULOP

2 1. Introdução Devido ao valor estratégico e econômico, os operadores do sistema elétricos brasileiro necessitam de qualificação constante que os tornem habilitados e capazes de tomar decisões complexas para manter o compromisso entre segurança e economia. Esses sistemas devem estar continuamente ativos trabalhando em conjunto com os operadores fundamentais para tomar decisões adequadas e mantê-lo em situação estável. A capacidade de correta identificação do estado do sistema elétrico depende de vários fatores, como emergência e procedimentos de restauração e treinamento contínuo [Ribeiro et al. 2014]. Além da complexidade do sistema elétrico existem vários riscos associados com a operação de transmissão de energia e sistemas de distribuição. Isto fez com que o treinamento pessoal se tornasse prioridade para o crescente número de companhias elétricas. Este contínuo treinamento de operadores de sistemas elétricos é necessário para mantê-los atualizados com manobras, procedimentos e normas. Isto é fundamental para garantir a eficiência dos operadores quando estão realizando procedimentos de atuação e também atualizando processo de operações contínuas [Ribeiro et al. 2014]. Treinamento baseado em simulação é uma opção interessante pela segurança proporcionada tanto para o operador quanto para equipamentos. Além disso, eles dão ao treinando a oportunidade de ser exposto a vários cenários e condições críticas, mesmo se elas ocorrerem raramente ou se forem de perigosa reprodução. O ambiente gráfico pode contribuir consideravelmente por proporcionar uma melhor visualização do estado do sistema elétrico e garantir um processo mais efetivo de treinamento. Inicialmente utilizada para entretenimento, a realidade virtual é amplamente percebida como uma importante ferramenta no processo de aprendizado [Ryan 2001] e, com isso, aparece como uma possibilidade de construção de ambientes de treinamento de diversas áreas, favorecendo a assimilação e a experiência de situações virtuais em comparação com as reais. Essa tecnologia proporciona portanto uma experiência de simulação com qualidade suficiente para ser adotada como mecanismo de treinamento. Em se tratando de ambientes de sistema elétrico, existem uma gama de aplicativos em vigor. No Brasil, o software mais utilizado é o Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia - SAGE [CEPEL 2014b], construído pela CEPEL, onde a principal visualização é o diagrama unifilar de potência. Embora adequado, a nível de treinamento não proporciona a ligação do real com o virtual, o que pode criar experiências sensoriais que facilitem o aprendizado. O objetivo deste trabalho é apresentar a integração realizada entre o Ambiente Gráfico Interativo para Treinamento de Operadores [Ribeiro et al. 2014], que é um ambiente de realidade virtual, com o SIMULOP [Oliveira et al. 2005], que é um simulador, que abrange o Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia (SAGE) e Operator Training Simulator (OTS). Este artigo está organizado em três seções. A seção de Referencial Teórico está associado à aspectos referentes ao OTS, ao sistema SAGE, ao SIMULOP, ao AGITO, à comunicação cliente/servidor e o padrão de formatação JSON. A seção seguinte, Estratégia de Integração, trata da abordagem de comunicação entre os sistemas. Por

3 último, é feita uma breve discussão sobre os resultados e trabalhos futuros. 2. Referencial Teórico As informações a seguir definem brevemente os conteúdos necessários para o claro entendimento do contexto de sistemas elétricos, ambientes virtuais e comunicação entre sistemas presente neste desde artigo Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia (SAGE) O SAGE implementa as funções de gerenciamento de energia em centros de controle, suportado por uma arquitetura que contempla em toda a sua plenitude as características de sistemas abertos. Sua funcionalidade pode ser configurada para diversas aplicações no processo de automação das empresas, desde aplicações locais em usinas e subestações, com arquiteturas de baixo custo (PCs) até aplicações em centros de operação de grande porte suportadas por redes locais heterogêneas e hardware de diferentes fabricantes [CEPEL 2014b]. É baseado em uma arquitetura distribuída e redundante. Vários computadores podem ser conectados através de uma rede local, garantindo a expansibilidade dos recursos computacionais. Além disso, o software pode diferir de acordo com o ambiente de aplicação, porém o suporte computacional permanece o mesmo [CEPEL 2014b]. O SAGE é um ambiente organizado em torno de um gerenciador de base de dados de tempo-real, de alto desempenho, onde são tratados alarmes (sobreposição, filtragem, organização em listas) e eventos (registro em arquivo) como exemplificado na Figura 1. A situação dos processos do SAGE é monitorada, a ativação/desativação dos processos é controlada, e falhas do sistema computacional são tratadas, inclusive em ambientes heterogêneos. Figura 1. Interface do SAGE apresentando o diagrama unifilar 2.2. Operator Training Simulator (OTS) O Eletrical Power Research Institute (EPRI) cria soluções científicas e tecnológicas para a energia global e serviços de energia industrial. As concessionárias de energia elétrica dos EUA estabeleceram o Instituto de pesquisa em energia elétrica em 1973 como um consórcio de pesquisa sem fins lucrativos para beneficiar membros de serviço público, seus clientes, e a sociedade. Agora conhecido simplesmente por EPRI, a companhia fornece uma vasta gama de produtos inovadores. e serviços para mais de 1000 organizações relacionadas com energia em 40 países. O EPRI também gerou a especificação de um modelo padrão de bases de dados EMS, denominado Common

4 Information Model (CIM) e a padronização de uma API de acesso a esses dados [Lee 2003] [Oliveira et al. 2005]. O OTS que é um software, desenvolvido pelo Instituto de pesquisa de energia elétrica (EPRI), sendo bastante utilizado por muitos sistemas elétricos presente em empresas de eletricidade na atualidade. É uma ferramenta flexível que pode ser usada para diferentes propósitos. Contudo, o foco principal é o treinamento de operadores [Muniz 2004]. Ele objetiva a representação do comportamento de sistemas elétricos de potência, respondendo às mudanças nas condições de operação ou eventos do sistema. Até o momento, o único simulador de redes elétricas em tempo real adepto à base CIM é o EPRI/OTS. Figura 2. PowerSimulator com EPRI-OTS 2.3. Sistema de Treinamento de Operadores (SIMULOP) O Sistema de Treinamento de Operadores [Oliveira et al. 2005] é uma iniciativa da Companhia Hidroelétrica do Vale do São Francisco (CHESF) com a finalidade de disponibilizar um ambiente de treinamento a seus operadores de subestação e melhorar a qualidade de sua operação. É composto fundamentalmente de duas ferramentas: um simulador, em tempo-real, de sistemas elétricos; e um sistema de Supervisão e Controle de Sistemas Elétricos. Tal ambiente de simulação, pode ser empregado em diferentes atividades, onde as principais são: Educação primária do operador (adaptação ao ambiente da sala de controle), Treinamento complementar (confrontamento com situações extraordinárias), Reciclagem de operadores, Treinamento de qualificação para um nível superior e Treinamento preparatório para alterações futuras nos procedimentos e configurações da rede. O SIMULOP possui dois ambientes distintos, SAGE e Simulador, que proporcionam um treinamento à distancia, ou seja, o simulador e o instrutor podem estar localizados em um centro de treinamento, e os treinandos nas subestações. [CEPEL 2014a]. A integração do EPRI-OTS com o SAGE no SIMULOP utiliza tecnologia Common Information Model (CIM) [McMorran 2007] que é um modelo de dados padronizado pela norma IEC [Shenming et al. 2004]. O processo de interligação entre o SAGE [CEPEL 2014b] e o EPRI/OTS demanda desenvolvimento de uma série de ferramentas, tais como: filtros estáticos, filtros dinâmicos, desenvolvimento de protocolos de comunicação. Os principais módulos que realizam a integração SAGE/EPRI-OTS, de acordo com a Figura 3, são:

5 exportnet: Responsável pela exportação dos dados de cadastro do SAGE, em arquivos formatados adequadamente para importação na base CIM e para mapeamento entre valores de medidas entre SAGE e OTS. simugate: Responsável pelo acesso à base CIM e obtenção de valores atualizados pelo simulador OTS para envia-los ao SAGE simucon: Responsável pela recepção dos pedidos de controle originados pelo treinando em uma console SAGE. Figura 3. Arquitetura do SIMULOP 2.4. Ambiente Gráfico Interativo para Treinamento Corporativo de Operadores (AGITO) O AGITO [Ribeiro et al. 2014] engloba as necessidades de treinamento de operadores de um centro de operação, proporcionando aos mesmos uma experiência de treinamento mais efetiva, através da manipulação de equipamentos, navegação nas subestações em uma visualização tridimensional. Este ambiente interativo foi desenvolvido através da utilização do motor gráfico Unity [Creighton 2010] [Unity 2014] que é um ecossistema de desenvolvimento de jogos bastante poderoso, além de ser uma engine de renderização completamente integrada a um conjunto completo de ferramentas intuitivas e de rápido fluxo de trabalho para criação de conteúdos 2D e 3D interativos. Uma visualização desta engine é possível na Figura 4. Figura 4. Engine Unity

6 3. Arquitetura de Integração entre SAGE, OTS e AGITO O processo de integração entre o sistema AGITO e o SIMULOP deve ser realizado em tempo real e de forma precisa, devido a grande demanda de informação provinda do simulador. A estratégia escolhida para realizar tal processo foi a utilização de conexões TCP/IP através de sockets que permitem a interligação rápida entre sistemas via rede, independente do hardware/software a serem utilizados. Com o canal de comunicação estabelecido, se fez necessário a utilização de um padrão de formatação dos dados para troca de mensagens, sendo este o JavaScript Object Notation (JSON) [ECMA 2013], que é um formato de texto completamente independente de linguagem, mas usa convenções que são familiares à programação em linguagens da família C (C, C++, C, Java, JavaScript, e outras). Isso o torna ideal para troca de dados entre linguagens [JSON 2014]. O processo de integração foi estruturado em uma arquitetura dividida em três camadas: Base de Dados (SAGE e OTS), Núcleo (Servidor AGITO, Consultar Alarmes, Consultar Equipamentos, Atuar Equipamentos) e Interface (Cliente AGITO), como mostrado na Figura 5. Figura 5. Arquitetura da Integração Os equipamentos presentes no SAGE, podem fornecer basicamente dois tipos de dados, que são: valores de medida e valores de estado. Já os alarmes, fornecem informações de todos os eventos (manobras, alteração de estados, variação de medidas) ocorridos no SAGE e são classificados de acordo com o grau de severidade (urgência, advertência e normal). O Ambiente Gráfico Interativo desenvolvido no Unity desempenha a função de cliente e pertence à camada Interface do modelo arquitetural, sendo assim responsável por realizar solicitações ao Servidor AGITO, que pertence à camada Núcleo. Essas solicitações podem ser do tipo: requisição de dados dos equipamentos, dados dos alarmes, e operação/atuação de equipamento de uma subestação. Tais mensagens são enviadas através de uma comunicação via socket TCP/IP entre o Cliente e o Servidor AGITO. Este último está dividido em três partes ou módulos. Cada um opera de forma independente. Há um especifico para consulta de equipamentos através do qual são obtidas informações dos mesmos, como: medidas de tensão e estado atual (energizado ou não energizado). Outro para a consulta de alarmes. E, por último, um para a operação/atuação de equipamentos. Esta modularidade proporciona que a interoperabilidade entre os sistemas possam ser realizadas em tempo real [Ribeiro et al. 2014].

7 Ao receber a mensagem provinda do cliente, como mostra o fluxo 1 da Figura 5, o servidor verificará a que módulo esta pertence e a encaminhará para o fluxo correspondente. Caso receba uma mensagem de solicitação de equipamentos, ela será encaminhada ao Consultar Equipamentos (fluxo 4) que, por sua vez, tem como funcionalidade acessar e retornar os dados contidos na base CIM (fluxo 6), por intermédio do EPRI/OTS. Ao obter a resposta (os dados), o servidor os encaminhará ao cliente no padrão de formatação JSON, pelos fluxos de dados 6, 4 e 1 respectivamente. Para uma mensagem de solicitação de operação/atuação de equipamento (fluxo 1), o servidor encaminhará uma mensagem ao módulo Atuar Equipamentos (fluxo 3). Ao recebê-la, o Atuar Equipamentos acessará a base de dados OTS (fluxo 7) e modificará o estado ou valor de medida do equipamento informado. A modificação será visualizada quando houver uma nova Consulta de Equipamentos pelos fluxos de dados 6, 4 e 1 respectivamente. Caso o servidor receba uma mensagem de solicitação de alarmes (fluxo 1), ele acessará essas informações contidas na base de dados do SAGE (fluxo 2 e 5) e as formatará no padrão JSON para então encaminhá-las ao Cliente AGITO pelos fluxos de dados 5, 2 e 1 respectivamente. 4. Conclusão O Ambiente Gráfico Interativo desenvolvido para o treinamento de operadores em sistemas elétricos permite que o treinando tenha condições de imergir em um ambiente de simulação, incrementando seu aprendizado, uma vez que o mesmo pode visualizar em um ambiente tridimensional os equipamentos de subestações e, consequentemente realizar operações semelhantes às que seriam realizadas em um ambiente real. Visto a necessidade de integração do ambiente virtual com o sistema de gerenciamento de energia, optou-se por dividir o sistema em camadas, nas quais são realizadas a comunicação cliente/servidor. Isto objetivando criar independência de funcionalidades. Assim, a camada cliente está responsável pela interface com o usuário e a camada do servidor está responsável pela consulta de dados nas bases. Com a integração realizada, o treinando é capaz de interagir com o ambiente de simulação tridimensional de forma que as operações realizadas são direcionadas para o SAGE ou para o OTS, de acordo com o tipo de manobra realizada. Isto é possível visto que existe uma troca de informações entre o cliente e o servidor, sendo que todos os dados de resposta para o cliente estão formatados no padrão JSON. Através desta integração, o usuário é capaz de visualizar, no ambiente gráfico, o efeito de uma operação realizada. Durante a integração, testes de comunicação entre cliente e servidor foram realizados com o objetivo de verificar o tempo de resposta às solicitações de dados, que se mostrou bastante eficaz. Embora a quantidade de informações provindas do servidor possam ser, dependendo da subestação, muito extensas (dados de equipamentos, alarmes e etc.), o processamento que o Servidor AGITO realiza ocorre de maneira efetiva e, a resposta ao cliente, em tempo hábil. Para uma consulta informações de todos os equipamentos de uma subestação, o tempo médio de resposta está na ordem de milésimos de segundos. Para uma consulta de alarmes, o tempo médio é menor que 3 segundos. Essa diferença de tempo entre a consulta de equipamentos e a de alarmes ocorre devido

8 ao tempo de resposta da base do SAGE. Nos testes de manobra/atuação de equipamentos, mesmo havendo um grande número de operações entre a solicitação do cliente e a resposta do servidor, o tempo de resposta é quase instantâneo. Esta ferramenta de auxílio no treinamento de operadores, foi desenvolvida visando minimizar as dificuldades que as empresas encontram durante a necessidade de treinamento dos mesmos, principalmente quando estes precisam se ausentar do seu posto de trabalho por um longo período de tempo. Além disso, um ambiente de simulação é capaz de proporcionar ao treinando diversas experiências, tais como: resolução de problemas, manobra correta em equipamentos, entre outras. Assim, essas experiências adquiridas em um ambiente de simulação, permitiriam que o operador estivesse habilitado para resolver problemas que talvez nunca tivesse presenciado em um ambiente de treinamento real. Referências CEPEL (2014a). Sage/sim - subsistema de treinamento e simulação. Disponível em Último acesso CEPEL (2014b). Sistema aberto de supervisão e controle. Disponível em Último acesso Creighton, R. H. (2010). Unity 3D Game Development by Example. Packt Publishing, Birmingham, B27 6PA, UKs. ECMA (2013). The JSON Data Interchange Format. ECMA International, Rue du Rhône 114 CH-1204 Geneva, 1st edition edition. JSON (2014). Introducing json. Disponível em Último acesso Lee, S. (2003). Generic PowerSimulator with EPRI OTS Scenarios. EPRI. McMorran, A. W. (2007). An introduction to iec : The common information model systems. Muniz, R. B. (2004). Funcionalidades do Simulador de Redes Elétricas EPRI-OTS e Sua Utilização Para Treinamento de Operadores na Chesf. CHESF/DOS/DOMO. Oliveira, J., Lima, L., Pereira, L., Sollero, R., Leite, C., Muniz, R., Costa, C., Cavalcante, M., Carmo, U., and Araújo, A. (2005). Treinamento e certificação de operadores no sistema sage empregando o simulador epri/ots. Ribeiro, T. R., Reis, P. R. J., Júnior, G. B., Paiva, A. C., Silva, A. C., Maia, I. M. O., and Araújo, A. S. (2014). Agito: Virtual reality environment for power systems substations operators training. Ryan, M. L. (2001). Narrative as virtual reality: Immersion and interactivity in literature. Johns Hopkins University Press. Shenming, Z., Jianguo, Y., Mei, C., and Su, Q. (2004). Implementation of standard iec in ems systems. Unity (2014). Unity game engine. Disponível em Último acesso 2014.