Uma Solução Via Satélite para Automação de Subestações Móveis

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1 1 Uma Solução Via Satélite para Automação de Subestações Móveis C. A. Oliveira Jr., Msc, UFRN, A. P. Xavier, Eng., CDI Power S/A, M. D. Almeida, Dr., UFRN, e M. F. Medeiros Jr., Dr-Ing, UFRN Resumo--Automatizar uma subestação móvel requer uma solução especial devido sua característica natural de mobilidade. Este artigo tem como objetivo apresentar a solução desenvolvida para a automação de subestações móveis através de enlace via satélite, apresentando os resultados obtidos com sua implantação. Palavras-chave--Automação, Comunicação Móvel, Protocolos, Satélite, Subestações. U I. INTRODUÇÃO MA das decisões técnicas mais importantes para se automatizar uma subestação e torná-la desassistida referese ao meio de comunicação entre esta subestação e o Centro de Operações. Normalmente as empresas do setor elétrico optam por usar rádio ou fibra ótica, dependendo das distâncias e infra-estrutura disponível em cada situação. Essa regra se aplica a subestações comuns. Subestações móveis são um caso particular, pois são concebidas para uso em situações sazonais, emergências, manutenções preventivas ou manutenções corretivas. Dessa forma, os próximos locais onde uma subestação móvel será instalada normalmente não são bem determinados, e sua área de abrangência geralmente é grande geograficamente. Portanto, as soluções de telecomunicações para subestações comuns não são aplicáveis tão facilmente às móveis, seja devido à inexistência de infraestrutura (meio de comunicação), ou à dificuldade de inserir, em um curto espaço de tempo, as informações da subestação móvel numa rede de automação existente. Considera-se, então, que para atender aos requisitos de mobilidade apresentados, o meio de comunicação ideal deve fornecer cobertura em uma grande área geográfica. Os custos de implantação de uma infra-estrutura desse porte são muito elevados, porém os serviços de uma operadora existente podem ser usados. Dois serviços que atendem bem a esses requisitos são o satélite e a telefonia celular. Neste trabalho, o satélite foi escolhido por oferecer melhor cobertura do que as operadoras de telefonia celular no estado do Rio Grande do Norte, onde o projeto foi implantado. Os capítulos seguintes apresentam detalhes desta implantação, que serve como solução para automação de qualquer tipo de subestação móvel ou equipamento similar, apesar do trabalho ter sido desenvolvido com o objetivo de ser aplicado em concessionárias de energia elétrica. II. DETALHES DA SOLUÇÃO A necessidade de se automatizar subestações móveis vem acompanhada de um problema de telecomunicações: qual meio de comunicação garante o serviço em qualquer local onde a subestação móvel estiver instalada? Uma idéia natural é se utilizar a infra-estrutura de telecomunicações existente em cada subestação fixa. Normalmente as concessionárias de energia elétrica possuem um sistema de rádio digital ou fibra ótica para tráfego de dados de automação entre suas subestações e seu centro de controle. No entanto, para se utilizar essa infra-estrutura, um canal dedicado precisaria estar disponível, o que nem sempre é possível, ou seria necessário compartilhar o canal existente. Uma outra opção seria utilizar-se a UCS Unidade de Controle de Subestação de cada subestação fixa, para varrer via protocolo de comunicação, uma UTR Unidade Terminal Remota na subestação móvel. Todas estas soluções implicariam em gastos elevados com homem-hora e materiais, já que se criaria uma solução particular para cada subestação fixa, além de que seria necessária passagem de cabos em todas elas. A princípio, também seria necessário configurar o conjunto UCS/Sistema SCADA um número de vezes igual ao número de subestações fixas, degradando a performance do sistema SCADA, já que a quantidade de subestações duplicaria. A pior conseqüência é que a quantidade de pontos passíveis de defeito no sistema de automação e de telecomunicações aumentaria consideravelmente. Desta forma, o ideal é buscar-se uma solução que cause o menor impacto possível ao sistema existente, com um baixo custo de implantação. A. Meio de Comunicação Neste trabalho, o meio de comunicação escolhido foi o satélite, o que evita todos os problemas citados, com a vantagem de tornar a subestação móvel independente da infraestrutura de automação e telecomunicações da subestação fixa na qual está instalada. A operadora de satélite escolhida foi a Autotrac Comércio e Telecomunicações S/A, que fornece um produto denominado Autotrac Satélite. Este produto foi desenvolvido originalmente para controle de frotas de veículos, em empresas transportadoras, por exemplo, através de localização geográfica e troca de mensagens. Cada veículo possui um

2 2 terminal conectado a uma antena, para enviar e receber mensagens de texto de/para um Centro de Operações. Cada antena possui integrados um GPS (Global Position System), para permitir funções de rastreamento, e um módulo microprocessado, para permitir a ligação de um teclado alfanumérico com display, para o usuário ou motorista escrever e ler as mensagens. Neste módulo também está disponível uma porta RS-232 para conexão com computadores, palmtops ou outros dispositivos, onde também é possível ler e enviar mensagens, de texto ou binárias, usando protocolo de comunicação. Esta flexibilidade é a idéia principal da solução: transmitir as informações da subestação móvel para o sistema supervisório do Centro de Operações da concessionária, e no sentido contrário, utilizando mensagens binárias, semelhantes às mensagens de texto (SMS) na telefonia celular. B. Protocolo de Comunicação Um protocolo de comunicação seria necessário para garantir a perfeita transferência de informações de estados, medições e controles da subestação automatizada. Vários protocolos de comunicação foram analisados, entre eles, o DNP3.0, o Modbus e o IEC Entretanto, a tarifação do produto Autotrac Satélite é executada por cada caractere da mensagem, conforme (1): Onde: M ( N V ) P = V + (1) P - Preço pago em cada mensagem trafegada. V M - Valor fixo de uma mensagem. N C - Número de caracteres na mensagem. V C - Valor de um caractere. A fim de minimizar custos e obter flexibilidade, foi desenvolvido um novo protocolo de comunicação assíncrono, denominado P3C Protocolo de Comunicação Compacto da Cosern, o que viabilizou técnica e economicamente a solução final. O protocolo foi chamado de compacto porque usa uma quantidade reduzida de informações, e foi chamado da Cosern porque foi nesta concessionária de energia onde o protocolo foi desenvolvido e está em pleno funcionamento. O objetivo do P3C é usar o mínimo possível de caracteres para trafegar dados. Caracteres desnecessários são eliminados. Por exemplo, considerando um enlace ponto-a-ponto, ou seja, só existe um único mestre e um único escravo na comunicação, os endereços de rede dos dispositivos não precisam são enviados, pois seriam tarifados desnecessariamente a cada mensagem. Neste caso, quando o escravo recebe um pacote, assume que o mestre o enviou, e vice-versa. Nada impede, entretanto, que os endereços sejam enviados numa arquitetura ponto-multiponto, pois o P3C pode ser configurado de acordo com a necessidade. Além da redução de custos, outras vantagens obtidas com o desenvolvimento do P3C foram: C C Eliminou-se o custo de compra da licença de um protocolo existente; Rápida implementação nas Unidades Terminais Remotas; Flexibilidade, de acordo com as necessidades da solução; Possibilidade de outras aplicações. Uma técnica usada no P3C para reduzir a quantidade de caracteres por mensagem foi a de omitir caracteres de controle de erro. (Cyclic Redundant Check CRC). Isto foi compensado porque o protocolo P3C, no sistema Autotrac Satétile, é encapsulado em outro protocolo, chamado Mobile Interface Protocol, MIP. Este protocolo controla a comunicação RS-232 que permite o envio das mensagens binárias via satélite, e possui o CRC implementado. Ainda visando minimizar o tráfego de dados, foi usada a técnica de mensagens não solicitadas, na qual o escravo toma a iniciativa de transmitir informações que mudaram de estado, ou medições que mudaram significativamente de valor. Por exemplo, se um equipamento de proteção atuou, gerando um alarme, o escravo não espera o mestre perguntar o estado dos equipamentos, envia imediatamente as informações que mudaram. O uso de mensagens não-solicitadas permite que o canal de comunicação permaneça vago, esperando as mensagens do escravo ou uma varredura de integridade, que o mestre obrigatoriamente deve efetuar sobre o escravo para garantir que a comunicação entre os dois está funcionando, e para atualizar todos os estados no programa supervisório periodicamente. Apesar de fundamental, a varredura de integridade exige uma pergunta do mestre e uma resposta do escravo. Voltando à questão da tarifação dos pacotes, a pergunta do mestre seria tarifada, apesar de não levar informações importantes. Assim, nesta solução, foi desenvolvida uma nova técnica na qual o escravo toma a iniciativa de enviar a integridade antes do mestre perguntá-la, evitando um pacote desnecessário. Essa técnica foi denominada Integridade pelo Escravo. Utilizando-se essas técnicas, e configurando-se adequadamente os timeouts de Integridade do mestre e do escravo, consegue-se que o mestre envie apenas o primeiro pedido de Integridade, quando ele é inicializado. Em situação normal, todas as Integridades seguintes serão enviadas pelo escravo, reduzindo a quantidade de mensagens enviadas pelo mestre, e conseqüentemente reduzindo os custos por envio de mensagens, como visto anteriormente. C. UTR e Sistema Supervisório Para obter as informações dos equipamentos da subestação estados e medições e enviar controles, além de efetuar a comunicação através do Autotrac Satélite, é necessário o uso de um Controlador Lógico Programável (CLP) ou, mais adequadamente, uma Unidade Terminal Remota (UTR). Na implantação desta solução, foi usada uma UTR de fabricação

3 3 da Foxboro, modelo C50. A UTR possui cartões de saída e de entradas digitais e analógicas, para permitir a supervisão e controle dos equipamentos da Subestação Móvel. Possui também, em sua CPU, uma porta RS-232 cujo protocolo de comunicação pode ser programável através da linguagem de alto nível SALL State And Logic Language, proprietária da Foxboro. A linguagem SALL é uma adaptação da linguagem C voltada à Remota C50, e, a partir dela, implementou-se o protocolo P3C. Do lado do Centro de Operações, uma UTR do mesmo fabricante fez o papel de mestre da comunicação, sendo escravo do Sistema Supervisório. A Fig. 1 apresenta a arquitetura do sistema como foi implementado na Cosern. D. Programa Redirecionador Quando da implantação da solução, o produto Autotrac Satélite não permitia o envio de mensagens diretamente da antena do Centro de Controle até a antena da SE Móvel, e vice-versa (v. Fig. 1). As mensagens, enviadas da SE Móvel ou Centro de Controle, obrigatoriamente deveriam passar por um servidor da Autotrac, para tarifação, e só então chegariam a um servidor da Cosern. Por isso, foi necessário desenvolver um programa chamado Redirecionador, cuja função é repassar as mensagens recebidas do mestre para o escravo e no sentido oposto. A Figura 1 apresenta um diagrama da solução final implementada na Cosern. III. RESULTADOS As figuras 2 e 3 são telas do programa supervisório da Cosern, representando, respectivamente, o diagrama unifilar e as medições da subestação móvel automatizada. A operação é transparente aos operadores, pois é idêntica à de uma subestação comum. As Telas de Operação permitem verificar o estado de chaves, disjuntores, carregamento do transformador e as tensões do banco de baterias e do barramento de 13,8 kv. Foi adicionado um controle que inibe ou habilita a varredura da Subestação Móvel (Fig. 2), para se evitar custos quando a mesma não estiver instalada. A automação da subestação móvel beneficiou a Cosern em diversos aspectos, entre os quais pode-se destacar: Segurança Operacional - O Centro de Operações volta a possuir controle e supervisão de todo o seu parque elétrico em 69 e 13.8 kv; Qualidade no Fornecimento de Energia Elétrica A Subestação Móvel permite a realização de manutenções sem a interrupção no fornecimento de energia. Em caso de interrupção, o telecontrole da Subestação Móvel permite rápido restabelecimento no fornecimento de energia, contribuindo também com a melhoria de índices de DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Consumidor); Redução de Custos - Eliminaram-se os gastos com homem-hora, pois não são mais necessários operadores durante a noite onde a Subestação Móvel estiver instalada; os custos em uma situação de contingência também foram reduzidos, porque o tempo de restabelecimento é menor. IV. CONCLUSÕES A solução apresentada é um projeto piloto, voltado não só para subestações, mas para aplicações cujo volume de dados transmitidos seja pequeno, e há dificuldades quanto ao meio de comunicação. Por exemplo, com algumas adaptações, a solução pode ser usada em transações bancárias ou autorizações de cartões de crédito em lojas ou postos de combustível distantes dos centros urbanos. Apesar do satélite ter sido usado como meio de comunicação, pode-se obter o mesmo resultado usando a telefonia celular, através de Short Messages ou via rede de comutação de pacotes, como o GPRS ou o EDGE. V. REFERÊNCIAS [1] C. A. Oliveira Jr., Desenvolvimento de um Protocolo de Comunicação para Automação de Subestações Móveis Via Satélite, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, [2] C. A. Oliveira Jr., A. P. Xavier e J. R. M. Pontes, A Automação da Subestação Móvel da COSERN Através de Enlace Via Satélite, in XVI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, 2004, Brasília. 1 CD-ROM. [3] C. A. Oliveira Jr. e R. G. Monte, A Telefonia Celular Como Meio de Comunicação Alternativo à Automação das Redes de Distribuição, in IV Seminário Internacional Sobre Automação de Redes de Distribuição de Energia Elétrica e Centros de Controle, 2002, São Paulo. 1 CD- ROM. VI. BIOGRAFIAS C. A. Oliveira Jr. é Engenheiro Eletricista com mestrado pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Atuou em empresas representativas nas áreas de telecomunicações, automação e energia, como a Companhia Energética do Rio Grande do Norte e a TIM Telenordeste Celular. Prestou serviços de engenharia a diversas concessionárias do país, como a CELPE, CELB, SAELPA e COELBA. Atualmente trabalha na área de telecomunicações da Petrobras. A. P. Xavier é Engenheiro Eletricista formado pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Possui MBA em Gestão de Negócios e atua na área de automação de sistemas elétricos desde Atualmente trabalha no Departamento de Marketing da CDI Power - Sistemas de Automação Ltda. M. D. Dias de Almeida é natural de Várzea-RN/Brasil. É Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN (1978), Mestre em Engenharia Elétrica pela POLI/ USP- São Paulo Capital (1980). Doutor pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica (PPgEE) da UFRN (2004). Atualmente é Professor do curso de Engenharia Elétrica e do PPgEE, ambos da UFRN. M. Firmino de Medeiros Jr. é natural de Macaíba-RN/Brasil. É formado em Engenharia Elétrica pela UFRN-Natal, em M.Sc. pela UFPB-Campina Grande, em Dr.-Ing. pela Alemanha, em De 1987 até 1990 foi Diretor da Companhia Energética do Rio G. do Norte - COSERN. De 1990 até 1992 foi Coordenador do PPgEE da UFRN-Natal. Atualmente, é professor do PPgEE/UFRN e dos cursos de Engenharia Elétrica e de Engenharia de Computação e Automação, ambos da UFRN.

4 Fig. 1. Arquitetura da solução implementada na Cosern. 4

5 5 Fig. 2. Tela do programa supervisório com o diagrama unifilar da Subestação Móvel da Cosern. Fig. 3. Tela do programa supervisório com as medições da Subestação Móvel da Cosern.