Optimização de processos e ferramentas de Controlo e Gestão em Sistemas de Protecção, Comando e Controlo

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Optimização de processos e ferramentas de Controlo e Gestão em Sistemas de Protecção, Comando e Controlo PDI Preparação para Dissertação Orientador: Professor Doutor Armando Jorge Sousa Supervisor Externo: Engenheiro David Lima Tiago Manuel Pinto Salazar Costa Reis

2 Tiago Reis, 2014 ii

3 Resumo Este relatório tem por base a preparação para o estágio que se irá realizar no 2º semestre do ano letivo de 2013/2014 na EDP Distribuição Energia, SA, localizada em Vila Noava de Gaia. Uma vez que o controlo e a gestão de equipas e de sistemas é uma das actividades que mais influencia o desempenho operacional das organizações, pretendese avaliar os processos e as ferramentas utilizadas pelo departamento comparativamente às melhores práticas da área. Neste sentido, será necessário estudar as actividades associadas à Operação e Manutenção de Sistemas de Protecção, Comando e Controlo e definir e implementar as potenciais melhorias identificadas. Durante este relatório está feita uma feita uma pequena descrição da arquitetura do Sistema de Proteção, enumerando as desvantagens da utilização da prática atualmente utilizada. No segundo ponto vai estar um resumo da norma IEC que é a melhor prática nesta área, indicando os pontos principais desta. Também estão indicadas as vantagens da implementação da norma IEC no SPCC. iii

4 iv

5 Índice Resumo... iii Índice... v Índice de Figuras... vi Introdução... 1 Sistema de Proteção, Comando e Controlo... 2 Arquitetura... 2 Norma IEC Porquê mudar?... 7 Planeamento... 8 Conclusão... 9 Bibliografia v

6 Índice de Figuras Figura 1 - Arquitetura e organização do SPCC [2]... 3 Figura 2 - Integração de Dispositivos [4]... 4 Figura 3 - Vários tipos de ficheiros e suas funcionalidades [2]... 6 Figura 4 - Diagrama de Gantt com planeamento geral da dissertação... 8 vi

7 Abreviaturas e Símbolos Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabética) AT CID EDP GOOSE ICD IEC IED IP MMS MT RND SCD SCL SPCC SSD TCP XML Alta Tensão Configured IED Description Energias de Portugal Generic Object Oriented Substation Event IED Configuration Description International Electrotechnical Commission Intelligent Electronic Device Internet Protocol Manufacturing Message Specification Média Tensão Rede Nacional de Distribuição Substation Configuration Description Substation Configuration Language Sistema de Proteção, Comando e Controlo System Specification Description Transmission Control Protocol extensible Markup Language vii

8 Introdução A EDP está entre os grandes operadores europeus no sector da energia, sendo o maior a nível nacional, sendo a EDP Distribuição responsável pela exploração da Rede Nacional de Distribuição (RND) de distribuição de energia eléctrica em Média Tensão (MT) e Alta Tensão (AT). Quando se trabalha com tensões muito elevadas, como é o caso, é necessário assegurar que tudo corre dentro do normal e que não haja falhas nos sistemas ou atrasos nas respostas do sistema. É necessário que caso haja alguma falha no sistema, o SPCC responda de forma correta e rápida, diminuindo assim a probabilidade de ocorrerem acidentes de alguma gravidade. Por esta razão é que existem os Sistemas de Proteção, Comando e Controlo, responsáveis pela proteção, comado e controlo da subestação de AT/MT. Com a dissertação a realizar, pretende-se testar de forma exaustiva a introdução da utilização da norma IEC no SPCC. 1

9 Sistema de Proteção, Comando e Controlo O SPCC é, tal como o nome indica, o sistema responsável pela supervisão, comando, controlo e proteção de todos os órgãos de uma subestação AT/MT. Um Sistemas de Proteção, Comando e Controlo está expostos a inúmeros eventos que podem causar sérios problemas em todo o funcionamento do sistema. Estes eventos podem ser devido a erros humanos, falhas de dispositivos, entre outras fatores. Visto que as falhas irão sempre acontecer, é necessário cumprir sempre os 5 fundamentos do sistema de proteção. Esses fundamentos são os seguintes [4]: Confiabilidade: é sempre necessário que o sistema de proteção funcione corretamente sempre que houver ocorrência de uma falha; Seletividade: selecionar os equipamentos que podem continuar em funcionamento sempre que ocorrer uma falha, de modo a que a falha tenho o menor impacto possível no funcionamento do sistema; Velocidade: responder o mais rápido possivel quando houver uma falha; Simplicidade: o sistema de proteção ser o mais simples possível, pois se algo não ocorrer como o esperado poderá haver consequências desastrosas; Economia: Máxima proteção a um custo mínimo possível. Gastar o necessário a curto prazo para que a longo prazo esse investimento inicial seja compensado. É portanto, essencial perceber como funciona e qual a constituição de um SPCC, pois quando os seus constituintes estão devidamente interligados a probabilidade de falhas é menor, o que permite o bom funcionamento do mesmo. Arquitetura Um SPCC é constituído por diversos módulos de processamento de informação, que devidamente interligados, lhes permite desempenhar funções inerentes à subestação. A arquitetura de uma subestação está divida em três níveis hierárquicos interligados entre si [1] [2]: 2

10 Nível 0 Processo (constituído pelos equipamentos AT/MT da subestação com os quais o SPCC interage: equipamentos primários da SE); Nível 1 Unidade de painel / dispositivo eletrónico inteligente (IED) (constituído por várias unidades de painel, responsáveis pelo comando e controlo do processo); Nível 2 Unidade Central de Processamento (desempenha as funções relacionadas com o comando e controlo de toda a instalação no local e à distância). Figura 1 - Arquitetura e organização do SPCC [2] Os IEDs são ligados ao processo de forma a ser possível proteger elemenos do sistema, fornecer dados de medição de grandezas elétricas, fornecer dados de medição 3

11 do estado dos equipamentos e dispositivos da subestação, fornecer informações sobre eventos e alarmes no sistema elétrico e no sistema digital, efetuar monitoração de equipamentos e circuitos (transformadores, geradores, linhas de transmissão etc.) entre outras funcionalidades. À medida que os IEDs vão captando a informação do processo, como por exemplo a aquisição e registo das correntes, tensões, temperatura, ocorrência de alarmes, etc, vão guardando esses valores numa memória provisório de forma a ser possível a Unidade Central de Processamento fazer solicitações dessas informações, de forma a ser possível executar as funções de proteção, comando e controlo da subestação, de forma atualizada. Para haver comunicação entre os IEDs, existe uma grande disponibilidade de protocolos de comunicação, como pode ser visto na Figura 2. Figura 2 - Integração de Dispositivos [4] Apesar dessa quantidade de protocolos existentes, a comunicação é difícil de ser feita uma vez que nas subestações os sistemas de proteção e sistemas de controlo são de diferentes fabricantes. Quando existem situações deste tipo, que são muito frequentes, e quando é necessário trocar informação entre IEDs de diferentes fabricantes, é necessário investir em desenvolvimento, com alto custo, como cabos e conversores de protocolos [4]. Devido a essa dificuldade de comunicação, e por forma a reduzir os custos das empresas, a IEC, empresa líder no desenvolvimento de padrões internacionais para o setor elétrico, decidiu lançar a norma IEC

12 Norma IEC A norma IEC surgiu como solução para a dificuldade existente em conseguir combinar IEDs de diferentes fabricantes, devido à falta de um padrão. Assim, a norma IEC tem como principal função fazer com que seja possível haver interoperabilidade entre os IEDs, isto é, haver uma comunicação entre IEDs de diferentes fabricantes ou de fabricantes iguais, transmitindo a informação de forma rápida e segura. A norma está dividida em 10 partes que são indicadas a seguir, onde estão definidas as características necessárias para que as implementações realizadas estejam conforme a norma: Parte 1: Introdução; Parte 2: Glossário; Parte 3: Requisitos Gerais; Parte 4: Planeamento do sistema e do Projeto; Parte 5: Requisitos de Comunicação; Parte 6: Configuração do sistema de automação e automação da subestação; Parte 7: Estrutura básica de comunicação, que está dividida em 4 partes; Parte 8: Mapeamento para MMS e Ethernet; Parte 9: Valores amostrados e mapeamento para Ethernet; Parte 10: Teste de conformidade. O modelo de dados é orientado a objetos e os dados são trocados entre funções e sub-funções que estão nos IEDs. Essas funções são divididas em nós lógicos, que compartilham dados. A comunicação os vários IEDs é feita através da camada Ethernet e TCP/IP, o que permite uma comunicação mais rápida e mais segura. Por outro lado, caso a comunicação seja realizada horizontalmente, são utilizadas mensagens GOOSE, de forma a que apenas os dispositivos interessados recebem determinada comunicação. A introdução da norma IEC permitiu com que não fosse necessário a programação para cada um dos casos. A linguagem de configuração dos IEDs é realizada através da linguagem SCL, que tem como base a linguagem XML. É através desta linguagem que é possível haver a já anteriormente falada comunicação entre IEDs de diferentes fabricantes. Existem 5

13 também 4 tipos de ficheiros, como se pode ver na figura seguinte. Também irá ser possível na figura qual a função de cada um dos ficheiros, segundo a norma em questão. Figura 3 - Vários tipos de ficheiros e suas funcionalidades [2] A linguagem SCL define ainda três tipos de modelos. Os modelos da subestação, IEDs e sistema de comunicação. Estes modelos encontram-se especificados na parte da norma IEC ou então de uma forma mais resumida em [2]. 6

14 Porquê mudar? Antes de mais, como já foi referido anteriormente, com a utilização da norma IEC 61850, é possível haver comunicação entre IEDs de diferentes de uma forma mais rápida e mais fácil. Consequentemente, a comunicação entre eles irá fazer com que a informação se transmita mais rapidamente e nos casos de serem de diferentes fabricantes, um IED pode consultar as informações de outro IED, independente do seu fabricante. Para além disso, com o SPCC atual, os custos de projeto são elevados devido à sua complexidade e os custos de manutenção são também elevados devido ao elevado número de cabos e de equipamentos de diferentes fabricantes. Caso seja necessário fazer alguma alteração no sistema, esta também terá um elevado custo, uma vez que as interligações existentes é feita maioritariamente feita através de cabos e fios. Para além disso, também não há redundância para as funções de proteção, comando e controlo, diminuindo assim a confiabilidade nos sistemas [5]. 7

15 Planeamento O trabalho nesta dissertação será realizado ao longo de 4 meses e terá o sei início dia 24 de Fevereiro. O trabalho a realizar estará dividido essencialmente em 6 fases principais, que saão as seguintes: Conhecimento dos Sistemas e Estrutura do Departamento, Direcção e EDP Distribuição, compreendendo a interacção entre as várias entidades. Levantamento dos actuais sistemas de informação e dos processos envolvidos. Estudo das melhores práticas da área e identificação de potenciais optimizações. Implementação e avaliação das melhorias tendo em vista a optimização dos Sistemas de Informação e/ou dos Processos de Controlo e Gestão em Sistemas de Protecção, Comando e Controlo. Conclusões a tirar. Escrita da dissertação. Através do diagrama de Gantt que se segue, é possível observar de forma temporal o trabalho a ser feito durante a Dissertação. Figura 4 - Diagrama de Gantt com planeamento geral da dissertação No diagrama de Gantt acima está apenas representado, de uma forma geral, o trabalho a realizar ao longo da dissertação que ainda poderá sofrer alterações, uma vez que ainda é um planeamento provisório. Este foi realizado através do Microsoft Project. 8

16 Conclusão Após a realização deste relatório é possível concluir que a utilização da norma IEC é muito mais vantajosa que a solução que neste momento está implementada na EDP. Com utilização desta norma, é possível aumentar as funções de automação e monotorização com redução de custo, o que é essencial no ambiente competitivo entre empresas. Irá também permitir uma redução da cablagem e do hardware de interface com o processo e haver possibilidade de compartilhamento de informação entre IEDs de diferentes fabricantes [3]. Apesar das vantagens enumeradas, é necessário fazer uma injeção de testes de tal forma que se consiga fazer o funcionamento fictício do que se pretende testar. Isto é necessário, pois caso haja alguma falha aquando a introdução desta, haverá más consequências tanto para a EDP, como para as pessoas. 9

17 Bibliografia [1] Eduarda Sousa, Aplicação da Metodologia de RCM II ao Sistema de Proteção, Comando e Controlo de uma Subestação Numérica AT/MT, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Junho 2013; [2] Pedro Silva, Projecto estruturado de Sistemas de Automação em Subestações segundo a norma 61850, Universidade Técnica de Lisboa, 2009; [3] A. Cascais Pereira, D. Cáceres, J.M. Ordacgi Filho, J.R.G. Correia, R. Pellizzoni, AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES E USINAS ESTADO DA ARTE E TENDÊNCIAS UTILIZANDO A NORMA IEC 61850, Brasil EUA Argentina, Universidade do Estado do Rio de Janeiro/ONS ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico KEMA; [4] Alana Araujo, Aplicação da norma IEC nas redes de proteção do sistema elétrico, Universidade de Pernambuco, Maio 2011; [5] Allan Pereira, INTEGRAÇÃO DOS SISTEMAS DE PROTEÇÃO, CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES E USINAS - ESTADO DA ARTE E TENDÊNCIAS, Rio de Janeiro RJ Brasil, Abril 2005 [6] Sítio [7] André Morais, Arquitectura de comunicações de Sistemas de Protecção, Comando e Controlo da EDP Distribuição, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Julho

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