VIRTUAL SUBSTATION. Um sistema de realidade virtual para treinamento de operadores de subestações elétricas.

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1 VIRTUAL SUBSTATION Um sistema de realidade virtual para treinamento de operadores de subestações elétricas. Reginaldo Costa Silva Edgard Lamounier Alexandre Cardoso Abstract This study presents a proposal for an electrical substation simulator built with virtual reality technology called Virtual Substation. This system aims to reduce the time spent in training new substation operators and provide a greater gain in learning, since it will allow a less theoretical operation of a real substation. Within the simulation, the student can interact with a console screen for a traditional supervisory system and check how this interaction interferes with the components of a substation represented in 3D, without exposing his life to dangers inherent in crisis situations or to provide injury of any kind. In addition, training sessions can be retrieved later for analysis by an instructor. Keywords: virtual reality, electrical substations, training Resumo Este trabalho apresenta a proposta de um simulador de subestação elétrica construído com a tecnologia de realidade Virtual chamado Virtual Substation. Através deste sistema pretende-se diminuir o tempo gasto na formação de novos operadores de subestação e proporcionar um maior ganho de aprendizagem, uma vez que ele possibilitará uma visão menos teórica do funcionamento de uma subestação real. Dentro da simulação, o estudante poderá interagir com uma tela do console de um sistema supervisor tradicional e verificar de que forma essa interação interfere com os componentes de uma subestação representada em 3d, sem expor sua vida a perigos inerentes a situações de crise ou proporcionar prejuízo de qualquer espécie. Além disso, as sessões de treinamento podem ser recuperadas posteriormente para análise por parte de um instrutor. Palavras-chave; realidade virtual, subestações elétricas, treinamento INTRODUÇÃO Desde o momento em que é gerada nas usinas hidrelétricas ou nucleares até chegar às casas, a energia elétrica percorre um longo caminho. Ela passa por vários subsistemas onde é transformada e retransmitida de forma segura e com o mínimo possível de perda. As Subestações Elétricas (SEs) são uma parte importante deste sistema. No sistema elétrico brasileiro atual existe uma diversidade muito grande de subestações elétricas. Cada uma delas foi projetada para se adequar à geografia e às necessidades energéticas de uma determinada região. Outro fator importante é que o custo para construir e manter uma SE é bastante elevado chegando à casa dos milhões de reais e sua operação exige um profissional altamente especializado, cujo treinamento pode demandar muitas horas. Não é raro que o aspirante a operador de Subestação tenha que se deslocar geograficamente, pois são poucos os locais que oferecem esse tipo de aprendizado. Tudo isso contribui para tornar o número de pessoas aptas a realizar este tipo de operação bastante reduzido. Essa variedade de projetos de Subestação e o seu alto custo envolvido na construção de uma máquina que simule o funcionamento de cada uma delas, fazem com que a tecnologia de Realidade Virtual (RV) se mostre uma alternativa altamente flexível e, acima de tudo, barata. A RV é uma interface avançada do usuário para acessar aplicações executadas no computador, propiciando a visualização, movimentação e interação do usuário, em tempo real, em ambientes tridimensionais gerados por computador. O sentido da visão costuma ser preponderante em aplicações de RV, mas os outros sentidos, como tato, audição, e outros também podem ser usados para enriquecer a experiência do usuário. [1]. A simulação proposta tentará ser a mais fiel ao mundo real e espera-se que, através dela, o operador treinee seja submetido a situações as mais diversas possíveis, inclusive aquelas que apresentam crises e risco de vida, o que não seria possível num treinamento convencional. Dentro do ambiente virtual, ele poderá errar várias vezes e estes erros podem ser registrados no sistema e depois analisados pelo supervisor do

2 treinamento, para que o conhecimento do estudante possa ser complementado se necessário, e o sistema aperfeiçoado. A simulação que será desenvolvida é do tipo nãoimersiva, pois usuário poderá utilizá-la em um computador ou dispositivo móvel, não privando completamente seus sentidos da interação com o mundo real, como aconteceria por exemplo se usasse um HMD ou uma CAVE. Outro ponto a favor dos sistemas de RV é a facilidade com que eles podem ser utilizados em Ensino a Distância. Normalmente, a maioria das tecnologias de RV semiimersivas permite a execução dos ambientes virtuais em navegadores de internet, necessitando-se para isso apenas da instalação de plug-ins. Aplicações como o ArqElectrical [4], o MineInside [5], o RVCOPEL[6] e os simuladores Furnas 01[7] e 02[8] são exemplos claros de como essa tecnologia tem sido bem utilizada em treinamentos. O grande diferencial que se pretende alcançar com Virtual Substation em relação a estas aplicações é o fato de que ele possa rodar em ambientes computacionais diversos, não ficando preso a nenhuma plataforma ou arquitetura em particular. O ArqElectrical descrito em é um sistema de treinamento proposto inicialmente para que alunos da faculdade de Engenharia Elétrica possam compreender melhor de que forma acontece o planejamento de uma instalação elétrica residencial. Para tanto, ele é capaz de ler a planta arquitetônica de uma residência em 2D e exibi-la simultaneamente em 2D e 3D para que o aluno de Engenharia Elétrica construir o projeto elétrico de uma residência. Sua maior vantagem é a possibilidade da visualização two-way do que está sendo projetado. Suas maiores deficiências são o fato de não possibilitar o salvamento dos dados do projeto em banco de dados e sua execução ser restrita a ambiente desktop. O projeto RV-COPEL tem por objetivo o desenvolvimento de um Ambiente Virtual para o treinamento de atividades de manutenção em linha viva, utilizando as técnicas de RV combinada com interfaces inovadoras (no caso um joystick Wii Remote). Como pontos fortes, o RV- COPEL apresenta a interação com o ambiente 3d de forma mais natural, ao usar o joystick ao invés do tradicional mouse e a comunicação com SGDB. Seus pontos fracos são o fato de mostrar apenas a visualização 3d da simulação e o fato de estar atrelado a apenas uma plataforma computacional. O MineInside não é um simulador e sim uma interface 3d para controlar o funcionamento de uma mina. Trata-ase de uma plataforma de RV que permite ao operador ter uma visão completa de toda o processo de mineração, de forma interligada com outros softwares, e mostra a operação de mineração em uma tela em tempo real. Segundo seus idealizadores o ambiente ajuda, inclusive a reduzir o tempo ocioso do maquinário, o que acaba por tornar mais eficiente o processo como um todo, além de tornar a operação mais segura. Seus pontos fortes são a interface, que possibilita duas formas de interação com caminhões, tratores e outros maquinários da mina: 2d e 3d. Seu ponto fraco é estar disponível apenas em ambiente desktop. O primeiro simulador Furnas, reproduz com a maior fidelidade possível o ambiente de trabalho dos operadores e o Sistema de Supervisão e Controle dos Centros de Operação da empresa.para cada seção de simulação deve existir também a figura de um instrutor que seria responsável por criar os cenários que deveriam simular as manobras realizadas pelo operador nas situações e atuações de proteção que também são de responsabilidade do mesmo. Os projetistas do sistema tinham em mente que este treinamento realizado poderia se basear em situações hipotéticas, ou, poderia reproduzir situações reais passadas, que seriam recuperadas do banco de ados do Sistema Supervisório. Daí uma grande preocupação da equipe em manter uma total compatibilidade entre a base de dados do simulador e as bases dos Centros de Operação. As limitações deste sistema o fato de estar atrelado a um tipo de hardware específico e não apresentar visualização 3d do processo, apenas a tela do sistema supervisor. O segundo simulador Furnas descrito em é uma evolução do primeiro. Assim como seu sucessor, ele também foi criado com o intuito de formar novos Operadores de Usinas ou Subestações. A mudança radical na forma como o estudante interage com a interface fez com que ela merecesse um estudo em separado.com o intuito de reproduzir o mais fielmente o ambiente de trabalho do operador, sua área de treinamento conta com um terminal telefônico, rádio intercomunicador e dependendo da configuração da Estação a ser virtualizada, podem ser necessárias até duas estações de trabalho. Toda as reações do treinando são gravadas através de uma câmera IP, além de toda a comunicação via rádio, telefone e sons ambientes. Esta aplicação permite reproduzir a interação do Treinando com um painel elétrico 3d e representa de forma realista, o ambiente de uma Sala de Controle, seus equipamentos, e seus componentes para proporcionar a um indivíduo a experiência de interagir de forma absolutamente segura com os punhos e botões em um painel elétrico virtualizado, facilitando a ele adquirir perícia na utilização deste tipo de interface de controle. O controle desta simulação também é realizado através de um controle do tipo Wii Remote. Assim como a aplicação anterior, esta também está restrita a um uma plataforma computacional. O SISTEMA PROPOSTO Funcionamento de uma subestação elétrica Os sistemas de controle de processos industriais podem ser representados por dois níveis estruturais: Acionamento de comandos, aquisição, adaptação e isolamento de sinais elétricos; representa a parte que entra em contato com os equipamentos do universo sob controle; Supervisão e controle: representa a interação com os usuários e a tomada de decisões; [9]

3 Este tipo de sistema é conhecido na engenharia elétrica pela sigla SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition Controle Supervisório e Aquisição de Dados). O virtual Subestation Dada a complexidade de um arranjo de subestação e o fato de que muitas vezes o centro de controle pode se localizar geograficamente longe da subestação, muitas vezes pode ser difícil para o operador enxergar qual é o impacto que determinado comando usado no terminal do sistema supervisório pode ter no sistema como um todo. Nesse ponto o VIRTUAL SUBSTATION ajudaria nesse processo, fazendo com que a compreensão do operador em treinamento sobre a subestação com a qual vai trabalhar seja maior. Isso será possível através da funcionalidade de two-way, que é a comunicação bidirecional entre projetos 2D e 3D. A manipulação de objetos em um ambiente é simultaneamente refletido no outro. [10] Num canto esquerdo inferior da tela, o operador verá o terminal do sistema supervisório e ele responderá aos mesmos comandos que o sistema real. No restante da tela, ele verá maior o modelo 3D da subestação. Se o operador decidir, por exemplo, abrir uma chave seccionadora, ele verá na imagem 3D a chave sendo aberta, e poderá acompanhar no terminal do sistema quais os impactos que isso tem nos indicadores do sistema. Figura 1.Tela do sistema SCADA usado na usina hidrelétrica de Igarapava Um sistema SCADA para distribuição de energia elétrica típico é uma estrutura do tipo ponto-a-ponto com arranjo na forma de estrela do tipo mestre-escravo. Ele possui Unidades Terminais Remotas (UTRs), que interagem diretamente com sensores e atuadores ligados aos equipamentos elétricos. Os UTRs capturam informações da planta elétrica e enviam por meio de canais seriais para estações centrais que ficam em centros de operação regionais. As estações possuem terminais onde os operadores podem interagir com o sistema, através de comandos. Os comandos dos operadores e mesmo aqueles gerados automaticamente pelo sistema são repassados para os UTRs que fazem com que esses comandos influenciem a planta elétrica. Um sistema SCADA é organizado num estrutura hierárquica, isso significa que, o operador de subestação só tem autonomia para realizar um número limitado de operações na subestação (por exemplo ligar e desligar chaves seccionadoras). Já operações críticas (como desligar uma linha de transmissão da subestação por exemplo), ele terá que solicitar ao nível hierárquico superior, que decidirá ou não por enviar o comando de desligamento. Na figura 01 vemos a tela de um sistema SCADA real, usado na usina hidrelétrica de Igarapava, SP. Como todo sistema de rede computacional, o sistema SCADA também está sujeito a falhas e atrasos de transmissão e o operador também pode se dirigir ao equipamento e manobra-lo através de controles físicos (botões e relés) análogos aos existentes no sistema supervisório, o que raramente acontece. Figura 2. Protótipo de tela para o Virtual Substation Todos os passos desde que o operador começou a utilizar o sistema são persistidos no Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGDB). No primeiro protótipo será usado um banco de dados MySQL, mas em versões posteriores a ideia é que o ambiente virtual seja capaz de se comunicar com o banco de dados dos sistema SCADA, e futuramente, servir como interface para controlar uma subestação real. Na Figura 02 é mostrada um protótipo de tela do Virtual Substation. Posteriormente, o instrutor responsável pelo treinamento deste operador pode recuperar esse registro passo a passo e verificar como o operador se comportou, verificando quais pontos do aprendizado podem ser otimizados e elucidados para que ele não cometa os mesmos erros ao manipular uma subestação real. Para atender a todas essas necessidades, o Virtual Substation deve ser capaz de: Simular comportamentos de componentes elétricos presentes em subestações de transmissão de energia elétrica reais, a partir de padrões de tais componentes;

4 Permitir a interação dos aprendizes com tais componentes, de tal forma a propiciar sessões de treinamento dos mesmos na operação e na manutenção; Armazenar os passos realizados pelos aprendizes durante sessões de treinamento, em um banco de dados, de forma a permitir a avaliação e o aprimoramento do treinamento na operação de sistemas; Oferecer a possibilidade de visualização two-way; Ser executado em plataformas computacionais diferentes. No caso do sistema Virtual Substation, serão priorizados os ambientes web e desktop, e posteriormente versões para o sistemas operacionais Android - que roda numa infinidade de smartphones e tablets disponíveis no mercado e ios presentes nos populares tablets e smpartphones da empresa Apple. MATERIAIS E MÉTODOS A construção de um ambiente virtual que atenda às necessidades mencionadas no item anterior é um processo demorado. Desta forma, deve ser dividido em diversas etapas menores. Por isso, estabeleceram-se as seguintes metas: 1. Buscar aplicações correlatas e levantar pontos forte determinar qual a real contribuição do simulador em relação às ferramentas já existentes. 2. Apurar quais tecnologias existentes podem ser usadas na construção de ambientes virtuais e determinar qual ou quais são adequadas para construir o simulador; 3. Fazer levantamento sobre as características de um bom sistema de treinamento em RV; 4. Realizar levantamento de requisitos sobre os componentes de uma SE e determinar como se dá a interação entre eles; 5. Verificar-se qual é a melhor metodologia para a construção da simulação (rede de petri, diagrama de lora, etc.) 6. Buscar aplicações correlatas e levantar pontos fortes e fracos de cada uma delas; 7. Realizar a modelagem geométrica e lógica da simulação 8. Validar a simulação junto a operadores já treinados do sistema nacional. No momento da escrita deste artigo, já foram completadas as etapas 1 e 2. A. Características do Virtual Substation Na etapa 1, após analisar um conjunto de aplicações correlatas, verificou-se que o Virtual Substation deve ter as seguintes características: Suporte a Two-way; Comunicação com SGDB; Capacidade de se executar a simulação em mais de um ambiente computacional B. Tecnologia escolhida para a criação do ambiente virtual Na etapa 2 partiu-se para determinar qual das inúmeras tecnologias e linguagens disponíveis no mercado poderiam ser usadas para construir o Virtual Substation. Foram analisadas as seguintes ferramentas: VRML((Virtual Reality Modeling Lnaguage)[11], PAPERVISION[12], UNITY 3D[13] e JAVA FX[14]. Todas as tecnologias analisadas possuem a capacidade de criar mundos virtuais, formados por formas 3D nos quais o usuário é capaz de navegar em primeira pessoa como se estivesse em um cenário real. Todas as ferramentas analisadas permitem essa modelagem. Para realizar esta avaliação, foram usados os seguintes critérios: Motor de física: O ambiente virtual deve ter um comportamento bastante semelhante à de uma subestação real, isso significa que ela estará sujeita a forças como massa, gravidade, velocidade e fricção. Linguagem de programação: A possibilidade se trabalhar com uma linguagem mais conhecida ajudaria a poupar tempo e padronizar o desenvolvimento em equipe; Importação de objetos criados em ferramentas externas: A tarefa de modelagem geométrica é extremamente demorada e complexa. Normalmente é feita se softwares externos como 3D Max ou Blender e a possibilidade de comunicação com modelos gerados por essas ferramentas agilizaria esta etapa; Conexão com SGDB: Conforme já foi mencionado, o que for realizado dentro do ambiente virtual precisa ser persistido e recuperado posteriormente. Ferramentas como VRML não oferecem essa possibilidade nativa, já ferramentas como Papervsion, Unity 3d e Java sim. Mobilidade: Outro critério em que VRML deixa a desejar, pois ainda não existem plug-ins dessa linguagem para tablets e smartphones. Gratuidade: O custo do software poderia inviabilizar o projeto, então se optou por softwares gratuitos ou que tivessem versão gratuita, mesmo com menos recursos. A opção escolhida foi o Unity 3d, por enquadrar-se melhor em todas essas características. Embora que, das ferramentas que foram analisadas, ela seja a única paga, possui uma versão gratuita com todos os recursos para a construção de uma interface two-way capaz de realizar a persistência das informações em banco de dados. Na tabela 01 pode-se observar um resumo do estudo realizado junto às tecnologias e os recursos presentes e ausentes em cada uma delas. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS No momento da escrita deste artigo, está sendo realizado o levantamento de requisitos para construção do Virtual Substation. Será modelada e programada uma subestação,

5 que servirá de piloto para a construção de outras posteriormente. A metodologia para a construção do modelo lógico da subestação será decidida em grupo por toda a equipe envolvida no projeto e será usada também em todas as outras subestações que forem construídas. Posteriormente, serão realizadas a modelagem geométrica e a programação da simulação, para posterior validação junto a operadores de subestação. REFERÊNCIAS [1] R.A. SISCOUTTO and C. KIRNER, Cláudio. Fundamentos de Realidade Virtual e Realidade Aumentada. Realidade Virtual e Aumentada: Uma Abordagem Tecnológica, João Pessoa Pb, n., p.1-20, 13 maio 2008 [2] A. L. SILVA, o uso do paradigma restrições geométricas para apoio a projetos de instalações elétricas. Uberlândia - MG: Universidade Federal De Uberlândia, p. [3] D. R. Coelho, R. R. Coelho and A. Cardoso, Use of Virtual Reality in process control in a mine in Brazil a case study. Anais do XIII Symposyum on Virtual and Augmented Reality, Uberlandia, MG, p.1-3, 23 mai, [4] T. BURIOL et al, Proposta de Plataforma Baseada em Realidade Virtual Para Treinamento de Atividades em Linha Viva. In: Proposta de Plataforma Baseada em Realidade Virtual Para Treinamento de Atividades em Linha Viva, 2009, Búzios, RJ. Anais do 30 CILAMCE, [5] C.A. FERRARA et al, Experiência de Furnas no desenvolvimento e utilização de um simulador de treinamento para os centros de operação. Anais do Viii Simpase: Simpósio de Automação de Sistemas Elétricos, Rio de Janeiro - Rj, n., p.1-11, 09 ago [6] A. A. S. ALVES and E. M. RIBEIRO JúNIOR, desenvolvimento de metodologia para aperfeiçoamento de operadores através da imersão em ambiente de simulação. Anais do Ix Simpase: Simpósio de Automação de sistemas Elétricos, Curitiba - Pr, n., p.1-8, 14 ago [7] C.C BRAGA, Estudo do jade e do cim no contexto de um sistema SCADA. Curitiba: Universidade Tecnológica Federal Do Paraná, [8] A. L. SILVA, O uso do paradigma restrições geométricas para apoio a projetos de instalacões elétricas. Uberlândia - Mg: Universidade De Uberlândia, [9] V. MARTINS, Realidade virtual em educação: Criando objetos de aprendizagem com VRML. A Revista Digital da CVA- RICESU, Rio de Janeiro, v. 4, n. 15, p.1-11, 01 set Semestral. [10] J. WINDER, P. TONDEUR, Papervision3D Essentials: Create interactive Papervision3D applications with stunning effects and powerful animations. Birmingham: Packt Publishing Ltd., p. [11] W. GOLDSTONE, Game Development Essentials: Build fully functional, professional 3D games with realistic environments, sound, dynamic effects, and more!. Birmingham,: Packt Publishing Ltd., p. [12] J. CLARKE, J. CONNORS and E. BRUNO, Java FX: Desenvolvendo Aplicações de Internet Ricas. Rio de Janeiro: Alta Books, p. (Java Direto da Fontes). Ferramenta Motor de física TABELA 1 FERRAMENTAS ANALISADAS Critérios de avaliação Linguagens de Programação Suportadas Importação de objetos criados em ferramentas externas Conexão com SGDB Mobilidade VRML JAVASCRIPT PAPERVISION ACTION SCRIPT UNITY 3D JAVASCRIPT, C#, BOOL Gratuidade JAVA FX JAVA

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