Evolution of Oscillograph - How Did CHESF Transform Data Into Information?

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1 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO., MARCH Evolution of Oscillograph - How Did CHESF Transform Data Into Information? B. A. Souza, Senior Member, IEEE, N. S. D. Brito, F. B. Costa,.. A. L. Leitão, S. G. A. Cauponi and S. S. B. da Silva Abstract A brief historical review of the implementation of the oscillographic network of Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF), which considers the influence of technological advances in all stages of the process, from design to the current configuration of the network is presented. Some problems and their solutions implemented deserved attention, with an emphasis on software of oscillographic analysis that resulted from a Proect of Research and Development developed by the Federal University of Campina Grande (UFCG). A Keywords Oscilografia,, P&D. I. INTRODUÇÃO PARTIR do final da década de 70 arrefeceu a puança do setor elétrico brasileiro que havia se estabelecido desde a década de 50. Os motivos principais foram o endividamento externo do setor, a recessão econômica e a conseqüente estagnação da demanda. Esse cenário levou o governo a adotar uma série de reformas, que culminaram na Lei do Novo Modelo do Setor Elétrico, aprovada em março de 004. Essa Lei deflagrou o início do processo de reestruturação do setor, o que alterou substancialmente as diretrizes vigentes. A meta principal era diminuir a influência do Estado, transferindo para a iniciativa privada e para o mercado, a responsabilidade e os riscos dos investimentos a serem realizados. Estabeleceu-se então, um novo paradigma ao se introduzir a concorrência e a privatização das empresas federais e estatais do setor []. A criação do novo modelo, aliada aos novos padrões de exigência da sociedade, que passou a solicitar eficiência do sistema e qualidade do serviço prestado, obrigou as empresas a se reestruturarem. Um dos itens principais desta reestruturação dizia respeito aos altos índices de disponibilidade que as empresas de transmissão de energia elétrica deveriam alcançar. O que antes era uma política de bom senso das empresas passou a ser uma questão crucial, diante das pesadas multas que poderiam ser impostas pelos órgãos fiscalizadores e da correlação da receita da empresa de transmissão com a disponibilização de seus ativos de transmissão []. Nesse sentido, a recolocação imediata em operação de uma linha de transmissão que foi desconectada da rede elétrica B. A. Souza, N. S. D. Brito & F.B. Costa integram o Departamento de Engenharia Elétrica (DEE) da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), Campina Grande, PB, Brasil, benemar, nubia, L. A. Leitão; S. G. A. Cauponi & S. S. B. da Silva integram a Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf), Recife, PE, Brasil, ulio, scauponi, devido a uma falta, passou a ser uma questão vital para as empresas. Para que tais operações pudessem ser realizadas com rapidez e segurança, era necessário dispor do máximo de informações sobre as ocorrências, as quais seriam utilizadas também, na adoção de medidas preventivas para minimizar a freqüência e a duração dos desligamentos [3]. No novo cenário, as informações obtidas pelos equipamentos de oscilografia das empresas passaram a ocupar um papel de destaque. Conceitualmente, a oscilografia constitui-se na aquisição das grandezas do sistema elétrico (correntes e tensões), além das sinalizações provenientes das cadeias de proteção quando da ocorrência de uma falta no sistema. Os equipamentos designados para esse fim são denominados de oscilógrafos, que quando interligados remotamente a computadores dedicados à aquisição de dados, configuram as chamadas redes de oscilogafia (Fig. ). Figura. Estrutura básica de uma rede de oscilografia. De um modo geral, uma rede de oscilografia possui um sistema de verificação e coleta automática das informações registradas pelos oscilógrafos. Essas informações são organizadas em registros padronizados, transferidas para o servidor central da rede, onde são armazenadas e posteriormente, compartilhadas pelos profissionais da empresa envolvidos com a atividade de análise. As informações provenientes da rede de oscilografia constituem-se em uma ferramenta valiosa de: Análise de desempenho do sistema de proteção do sistema elétrico; Elucidação dos desligamentos que provocam interrupção no fornecimento de energia elétrica; Auxílio em processos que visem isenção de responsabilidade da empresa pelas ocorrências. Cálculo da localização de defeitos em curtos-circuitos. Para se adequar às novas exigências e atender às normas regulatórias impostas pelo Operador Nacional do Sistema (ONS), que passaram a exigir a supervisão de determinados pontos de conexão à rede básica, a Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf) implantou uma rede de oscilografia

2 46 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO., MARCH 00 para monitorar o seu sistema de transmissão. O constante desenvolvimento tecnológico e o grande porte do sistema elétrico da Chesf, entretanto, resultaram em diversos problemas relacionados à gerência e manutenção da sua rede de oscilografia. Este artigo apresenta, de forma sucinta, o processo de implantação dessa rede, desde a concepção até o estado atual, dando-se destaque a uma alternativa implementada através de seu programa de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D). II. UM BREVE HISTÓRICO A rede de oscilografia da Chesf foi concebida com o obetivo de realizar monitoração contínua do seu sistema elétrico. Os primeiros oscilógrafos eram equipamentos eletromecânicos, cua impressão dos registros era feita em papel, utilizando uma tinta especial. Dentre os diversos modelos dessa categoria, o S4 da Thompson foi o mais utilizado na Chesf. Em seguida, vieram os oscilógrafos que utilizavam papel fotossensível dentro de uma câmara hermeticamente fechada, em que os registros eram gravados por sinais luminosos e posteriormente, revelados para análise. Nessa categoria, os mais utilizados foram os oscilógrafos MD444 da Hathaway, os quais apresentavam desempenho superior aos S4 da Thompson, principalmente, em relação à qualidade de impressão e quantidade de canais disponíveis []. Com o passar do tempo, vários problemas foram surgindo, tais como: Coleta dos registros local e envio por transportes convencionais ou fax, para os centros de análise; Custo elevado de impressão dos registros; Difícil manuseio e armazenamento dos registros; Taxas de falhas crescentes dos oscilógrafos em decorrência do tempo de uso, o que provocou aumento do custo de manutenção; Dificuldades para adquirir peças sobressalentes para reparos [4]. Ao constatar que uma rede de oscilografia eficiente e moderna constituía-se em uma ferramenta valiosa na busca pelo padrão de qualidade exigido pela sociedade, a Chesf resolveu modernizar e expandir sua rede. Esse processo iniciou em 994, com a substituição de 75 unidades S4 da Thompson por Registradores Digitais de Perturbação (), tipo EPCS de fabricação Alstom. A substituição das unidades obsoletas foi feita de forma intercambiável e sem modificações no lay-out da subestação. Esse processo continuou com a aquisição de novas unidades, tanto da Alstom quanto de outros fabricantes, tais como: Simeas-R da Siemens, IRU-69 da Macrodyne e RP-IV da Reason. O alto nível de competitividade do mercado associado às regras específicas dos processos licitatórios, entretanto, resultou na aquisição de uma diversidade de modelos e fabricantes de, cada um com suas peculiaridades e características próprias de hardware e software. Essa diversidade gerou dificuldades para os processos de comissionamento, integração, manutenção e gerenciamento global do sistema, dentre as quais se destacam [4]: Necessidade de conhecimentos mais específicos de hardware, software, redes de computadores, protocolos de comunicação, etc.; Necessidade de capacitação de recursos humanos para instalação, manutenção e operação do sistema; Necessidade de capacitação de recursos humanos para utilização dos softwares de parametrização, comunicação e análise de ocorrências de cada fabricante; Instalação de vários softwares de análise de ocorrências com características diferentes e usando vários bancos de dados. Na tentativa de solucionar esses problemas, a Chesf implantou o sistema GERCOM (Gerenciador de Comunicação), cua arquitetura original é apresentada na Fig.. Leste Subestação Modem Modem Modem Modem Modem Modem Norte Modem Sistema de Telefonia da CHESF Oeste Grupo de Análise Grupo de Desenvolvimento e Manutenção Modem Centro-Oeste Centro Modem Sul Serviços Regionais de Proteção Figura. Arquitetura original do GERCOM. Sede da CHESF Rede WAN Central A arquitetura mostrada na Fig. destaca os seguintes componentes: : equipamento responsável pelo monitoramento contínuo das grandezas do sistema elétrico de potência e do estado de operação do sistema de proteção. Conectam-se ao sistema através de modem ligado à linha telefônica, o que permite acessos periódicos dos servidores regionais aos quais esteam ligados. es Regionais: computadores responsáveis pela ação de varredura e coleta dos registros dos localizados nas subestações pertencentes à área de cada regional. Central: computador responsável pela aquisição, organização e armazenamento de todos os registros dos servidores regionais, além de hospedar a homepage da rede de oscilografia. Grupo de Desenvolvimento e Manutenção: setor responsável pela análise do desempenho, manutenção e

3 ALENCAR DE SOUZA et al.: EVOLUTION OF OSCILLOGRAPH 47 estudos de expansão da rede de oscilografia. Grupo de Análise: setor responsável pela análise dos registros armazenados no banco de dados. O proeto original do GERCOM apresentava as seguintes características: Gerenciamento da execução dos softwares de comunicação específicos de cada fabricante, através de uma estrutura que permitia a inclusão de novos softwares, ou sea, a inclusão de de outros fabricantes; Integração dos em um único sistema de gerenciamento o que possibilitou: acesso aos dados quase de forma instantânea, maior precisão e rapidez na análise dos dados e menor índice de erros nas análises; Controle da comunicação de cada subestação, de forma individualizada e transparente; Disparo do processo de leitura de registros (de uma ou de todas as subestações); Seleção dos no processo de pooling; Monitoramento do estado da comunicação; Conversão dos arquivos lidos para o formato IEEE COMTRADE; Acesso remoto através de senha a qualquer, a partir de qualquer computador conectado à intranet da Chesf. Apesar dos muitos benefícios gerados pelo GERCOM, novos problemas foram surgindo, por exemplo: Grande quantidade de registros a serem transferidos e analisados; Congestionamentos na rede WAN (wide área network); Problemas de hardware e de software inerentes a uma rede de comunicação. Na tentativa de solucionar essas dificuldades, a empresa iniciou um processo de reconfiguração de sua rede de oscilografia, visando: descentralizar o processo de aquisição de dados; dispor os registros adquiridos pelos na homepage de forma mais rápida; acessar os dados de qualquer lugar da empresa pela intranet [4]. Neste sentido, destacam-se as seguintes ações: Migração da comunicação usando rede telefônica para a rede WAN; Uso de computadores locais (denominados de concentradores) para os sem interface ethernet, cuo software de comunicação com o equipamento não dispusesse de endereçamento IP; O processo de coleta passou a ser feito pelos concentradores, os quais fazem a varredura dos a eles interligados em busca de ocorrências; A varredura de retaguarda passou a ser feita pelos servidores regionais; Construíram-se pequenas redes LAN (local área network) em cada subestação, às quais se pode ter acesso através da rede WAN da oscilografia. Continuando o processo de modernização do seu sistema, a Chesf está adquirindo um novo software de gerenciamento, denominado de SIGRO, o qual substituirá em breve, o GERCOM. Um esquema da configuração atual da rede de oscilografia da Chesf é apresentado na Fig. 3. Ela possui aproximadamente, 500 instalados (cobrindo todos os sistemas de 500 kv e 30 kv e boa parte dos sistemas de 38 kv e 69 kv), gerando diariamente, cerca de 800 MB de registros oscilográficos. Figura 3. Configuração atual da rede de oscilografia da Chesf. III. SOFTWARE WAVAN Conforme se disse na seção anterior, o desenvolvimento tecnológico produziu muitos benefícios, mas também, muitos problemas para a rede de oscilografia. Um dos mais sérios relaciona-se às taxas de amostragens dos, visto que as estratégias de disparo empregadas resultam na captura de ocorrências irrelevantes aos propósitos da análise de oscilografia, tais como: manobras de chaveamento, variações de cargas, afundamentos de tensão, manobras de energização e desligamento de componentes do sistema para manutenção [5]. Por outro lado, os órgãos regulamentadores passaram a exigir das empresas maior quantidade de pontos de monitoramento do sistema para assim, comprovarem a qualidade de seus serviços. Como conseqüência, o número de aumentou e naturalmente, o número de registros oscilográficos a serem analisados. No caso da Chesf, esses fatos resultaram em problemas graves de caráter operacional, de modo que uma depuração prévia dos registros adquiridos pelos tornou-se um problema crucial. Para minimizar esses problemas, a empresa vem desenvolvendo e implementando diversas medidas, dentre as quais se destaca neste artigo, o produto de um proeto de P&D da Chesf, ciclo 00/00, desenvolvido pelo Grupo de Sistemas Elétricos (GSE) da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), que foi denominado de Wavan (O nome é uma combinação das palavras wavelet e análise e se pronuncia uéivan.) [6]. O Wavan é um software que efetua, de forma automática,

4 48 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO., MARCH 00 triagem e análise preliminar dos registros oscilográficos provenientes dos canais analógicos (sinais de tensão e corrente) dos, conforme dito em sua tela de abertura (Fig. 4). O método baseia-se no uso exclusivo da transformada wavelet discreta (TWD) e utiliza a função Daubechies4 como wavelet mãe [7]-[8]. O software possui um ambiente amigável baseado em interfaces gráficas, que foram desenvolvidas fazendo-se uso do paradigma de orientação a obetos da linguagem de programação C++ e de recursos da biblioteca MFC (Microsoft Foundation Class). geral, seleciona-se o primeiro ciclo; entretanto, no caso de energizações, o ciclo selecionado pode ser o último. Com essa normalização, os registros provenientes de linhas de transmissão com diferentes níveis de tensão podem ser avaliados, indistintamente. 3. Aplica-se um estágio da TWD apenas às correntes de fase, obtendo-se os coeficientes wavelet. O Wavan utiliza uma técnica de análise de sinais denominada de wavelet lifting. Com essa técnica, um sinal amostrado no domínio do tempo é transformado para o domínio wavelet através de técnicas de filtragem digital. Neste caso, a TWD é interpretada como um banco de filtros. Cada aplicação da TWD corresponde a uma escala de resolução. Em cada escala, o sinal passa por dois filtros: um passa alta (FPA) e outro passa baixa (FPB). As saídas dos FPB correspondem às versões suavizadas do sinal ou coeficientes de aproximação (CA ou c ); enquanto que as saídas dos FPA correspondem às versões detalhadas do sinal ou coeficientes wavelets (CW ou d ), propriamente ditos. A primeira escala de resolução desse processo é apresentada na Fig. 6. Devido ao processo de dizimação por dois, as saídas dos filtros passa baixa e passa alta, em certa escala, possuem número de amostras K T /, sendo K T, o número de amostras do sinal original. Figura 4. O software Wavan. Um diagrama de blocos simplificado do método é apresentado na Fig. 5 e seu algoritmo pode ser resumido nos passos a seguir [7]-[8]: Figura 5. Diagrama de blocos simplificado do método.. Inicialmente, os campos dos registros correspondentes aos canais analógicos são lidos.. Em seguida, os sinais de tensão e corrente são normalizados. Isso é feito dividindo-se os valores desses sinais pelos respectivos valores de pico, correspondentes a um ciclo do registro em regime permanente do sistema. De um modo Figura 6. Um estágio da TWD. 4. Em seguida, calcula-se a energia dos CW (A avaliação dessa energia é muito importante, visto que é utilizada em vários módulos do sistema Wavan (pré-processamento, detecção e identificação).). Conforme teorema de Parseval, a energia do sinal original é igual a soma das energias dos CW nos diferentes níveis de resolução. Isso significa que a energia do sinal pode ser particionada da seguinte forma: k T sendo: k T k T kt kt 0 = c = c + d, () c0 : energia do sinal original; c : energia dos CA da escala ), sendo ( max max, o número máximo de decomposições (escalas); k T d : energia dos CW da escala.

5 ALENCAR DE SOUZA et al.: EVOLUTION OF OSCILLOGRAPH 49 Confinando-se um trecho específico dos CW, obtém-se a energia entre os coeficientes k m e k n : k n E ( k m, kn ) = d, () km Sendo: km < kn kt. O Wavan baseia-se no uso da energia anelada dos CW da escala, definida conforme (3): Δk anela E (, ), ε = Δk E ( + k anela Δk anela se k Δk anela k (3) T, k), se < k Portanto, ε é uma sequência de valores de energia, resultante de uma anela deslizante nos CW, de tamanho fixo e igual a: Δk anela. A anela se movimenta amostra por amostra, sequencialmente e a cada passo, a energia da anela é calculada conforme (). 5. Mediante aplicação de um conunto de regras baseadas na energia dos coeficientes wavelet algum distúrbio eventual é detectado. 6. Caso um distúrbio sea detectado, o registro é reavaliado com os seguintes propósitos: Delimitação da duração do distúrbio; Separação e classificação das ocorrências relacionadas com faltas; Identificação dos demais distúrbios: faltas, afundamentos de tensão, transitórios de chaveamento, energizações e desenergizações de linhas de transmissão. 7. Se nenhum distúrbio for detectado, o processo termina e o software evita a transferência do registro para o servidor central da oscilografia. Em sua versão atual, o Wavan analisa registros oscilográficos provenientes de com qualquer quantidade de canais analógicos e supervisiona mais de uma linha de transmissão de energia elétrica. Ao final, o software fornece informações referentes aos diagnósticos dos registros analisados para os cadastrados, em relatórios semelhantes aos mostrados nas Figs. 7 e 8. Na forma como foi concebido, o algoritmo foi programado nos computadores utilizados na coleta dos registros capturados pelos, integrando-se ao GERCOM e à rede de aquisição de dados á instalada (Fig. 9). Atualmente, o Wavan está instalado em escala piloto em duas subestações da Chesf. Apenas 8% dos registros analisados são enviados para o servidor central da oscilografia, o que dá idéia da importância do software: 9% dos registros gerados são retidos nos concentradores, evitando-se tráfego desnecessário na rede e sobrecarga de trabalho para os especialistas responsáveis pela análise de ocorrências. Figura 7. Relatório de uma consulta. Figura 8. Relatório de dados estatísticos. Figura 9. Inserção do Wavan no sistema Chesf.

6 50 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO., MARCH 00 IV. CONCLUSÕES A despeito da importância capital, a rede de oscilografia de empresas de grande porte, como a Chesf, tende a acumular problemas desafiadores, dentre os quais sobressai a iminente torre de Babel, como ordinariamente passou a ser chamada a enorme diversidade de dispositivos digitais e sistemas registradores de perturbação sem interface de comunicação padronizada. As soluções á alcançadas pela Chesf vão desde a aquisição de equipamentos atualizados e software comerciais até o desenvolvimento de soluções próprias através de seu programa de P&D. Uma solução desse último tipo que foi apresentada é o Wavan, desenvolvido na Universidade Federal de Campina Grande. Ao constatar a ocorrência de um distúrbio em um registro oscilográfico, após a etapa de detecção de distúrbios, o Wavan emite um relatório com o diagnóstico do distúrbio e permite a transferência do registro para o servidor central da oscilografia. Em se tratando de falta, o instante inicial, o instante final e o tipo da falta são obtidos e adicionados ao relatório. Caso constate que o registro não corresponde a nenhum distúrbio, o Wavan evita sua transferência para o servidor central da oscilografia. Nesse caso, o registro é armazenado temporariamente no próprio micro concentrador, para uma posterior coleta pelo pessoal responsável. Com esse software na rede de oscilografia da Chesf, se reduziu: o uso da banda de telecomunicação, o tráfego de dados na rede, o armazenamento de registros desnecessários no banco de dados da rede de oscilografia e o trabalho do Grupo de Análise. [8] F. B. Costa; B. A. Souza & N. S. D. Brito, Detection and classification of power quality disturbances by wavelet transform, apresentado no Congresso Brasileiro de Automática (CBA 08) em uiz de Fora, Brasil, 008. B. A. Souza doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB), Brasil, (995), instituição da qual recebeu também os títulos de engenheiro eletricista (977) e mestre em Engenharia Elétrica (98). Atualmente, é professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), Brasil. Suas atividades de pesquisa estão relacionadas com transitórios eletromagnéticos, diagnóstico de faltas e aplicação de métodos de otimização e meta-heurística ao planeamento e automação de redes. N. S. D. Brito doutora em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB), Brasil, (00), instituição da qual recebeu também o título de engenheira eletricista (988); mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Brasil, (996). Atualmente, é professora do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), Brasil. Suas atividades de pesquisa estão relacionadas com diagnóstico de faltas e planeamento de sistemas de distribuição. F. B. Costa mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), Brasil, (006), instituição da qual recebeu também o título de engenheiro eletricista (005). Atualmente, é aluno do Curso de Doutorado em Engenharia Elétrica da UFCG. Suas atividades de pesquisa estão relacionadas com diagnóstico de faltas e transitórios eletromagnéticos. REFERÊNCIAS [] Y. V. de Abreu, A reestruturação do setor elétrico brasileiro: questões e perspectivas, Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, [] E. O. Barreto, Avaliação de algoritmos para localização de faltas em redes elétricas, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil, tart/880.html [3] S. S. B. Silva, Uso de inteligência artificial para análise de ocorrências em sistemas de potência, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil, 00. [4] S. S. B. Silva. Substituição de oscilógrafos convencionais por registradores digitais de perturbação Dificuldades e soluções A experiência da CHESF, SNPTEE, 00. [5] K. M. Silva; B. A. Souza;. S. D. Brito; K. M. C. Dantas; F. B. Costa & S. S. B. Silva, Detecção e classificação de faltas a partir da análise de registros oscilográficos via redes neurais artificiais e transformada wavelet, Revista Controle & Automação, vol.8, no., abril, maio e unho 007. [6] ATECEL, Classificação de distúrbios no sistema elétrico baseada nas wave-nets, Relatório Final de Proeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil, 006. [7] F. B. Costa; K. M. Silva; K. M. C. Dantas; B. A. Souza & N. S. D. Brito, A wavelet-based algorithm for disturbances detection using oscillographic data, presented at the International Conference on Power Systems Transients (IPST 07) in Lyon, France on une 4-7, A. L. Leitão doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo (USP), Brasil, (00); mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itaubá (UNIFEI), Brasil, (987); engenheiro eletricista pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Brasil, (978). É funcionário da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf) e atualmente, é assessor do Departamento de Proteção e Automação (DPA). S. G. A. Cauponi engenheiro eletricista pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Brasil, (00) e técnico em eletrotécnica pela Escola Técnica Federal de Pernambuco (ETFPE), Brasil, (99). É funcionário da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf) e atualmente, é coordenador da Rede de Oscilografia. S. S. B. Silva mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Brasil, (00) e engenheira eletricista pela Escola Politécnica (UPE), Brasil, (984). É funcionária da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf) e atualmente, é assessora do Departamento de Sistemas de Informação (DSI).