AES Eletropaulo Metropolitana Eletr. de São Paulo S.A.

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1 XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri SENDI a 10 de novembro Curitiba - PR - Brasil Bruno Hideki Nakata Izabel Cristina Pires Mayra Sayumi Hoshina Sinapsis Inovação em Energia s/s ltda AES Eletropaulo Metropolitana Eletr. de São Paulo S.A. AES Eletropaulo Metropolitana - Eletr. de São Paulo S.A. bruno.nakata@sinapsisenergia.com izabel.pires@aes.com mayra.hoshina@aes.com Daniel Perez Duarte Marcel Mascaro Martinelli Paulo Cesar Prankevicius Sinapsis Inovação em Energia s/s ltda AES Eletropaulo Metropolitana - Eletr. de São Paulo S.A. AES Eletropaulo Metropolitana - Eletr. de São Paulo S.A. daniel.duarte@sinapsisenergia.com marcel.martinelli@aes.com paulo.pranskevicius@aes.com Desenvolvimento de Portal Web de Automação e Aplicativo para Smartphone para Auxílio à Operação, Manutenção e Planejamento da Expansão de Sistemas Elétricos Palavras-chave Aplicativo Distribuição de Energia Portal Web Redes Inteligentes Smart Grids Subtransmissão de Energia Resumo No presente trabalho, são apresentados os resultados do desenvolvimento, dentro do Projeto Estruturante de Redes Inteligentes da AES Eletropaulo, de um novo portal web de automação com informações relevantes à operação, manutenção e planejamento da expansão dos setores de subtransmissão, distribuição subterrânea e distribuição aérea da empresa. Essas informações podem ser acessadas a qualquer momento pelos funcionários através da rede corporativa da empresa. Ainda dentro do projeto, foi desenvolvido um aplicativo 1/12

2 para smartphone com algumas das informações disponibilizadas no portal e que foram consideradas importantes para serem visualizadas remotamente. 1. Introdução O sistema de distribuição de energia da AES Eletropaulo atualmente é composto por 152 subestações, com capacidade instalada de aproximadamente 14 MVA, km de linhas de distribuição aérea e km de rede de distribuição subterrânea, além de km de linhas de subtransmissão. Para realizar a supervisão e a operação de uma rede tão extensa, a empresa investiu constantemente nos últimos anos em equipamentos para realizar a automação na rede, sistemas de comunicação para enviar as informações coletadas às subestações e ao centro de operação, além da digitalização das informações de supervisão, controle e proteção presentes na subestação. Dados obtidos dos equipamentos de campo são enviados ao sistema SCADA instalado no nível da subestação (Nível 2), responsável pela supervisão e controle desses equipamentos. As informações de cada subestação, obtidas pelo sistema SCADA nível 2, são enviadas ao centro de operação através do sistema SCADA centralizado. A base de dados para o portal web de automação foi montada junto ao SCADA central. A AES Eletropaulo já possuía um portal web com informações dos sistemas de automação, que serviu como base parao desenvolvimento do novo portal. A partir de uma pesquisa interna com funcionários da empresa, identificando as necessidades de cada área, foram definidas quais funcionalidades seriam migradas do antigo portal e quais desenvolvimentos seriam feitos para a nova ferramenta. Entre as funcionalidades contidas no portal, podem ser destacadas: sistema de busca por estações e equipamentos utilizando a aplicação Google Maps, relatórios com informações de carregamento e níveis de tensão de equipamentos, visualização em tempo de alarmes de equipamentos em estado anormal, visualização de histórico de eventos na rede, ferramenta para plotagem de gráficos de medições, além de um sistema de alertas que visa auxiliar a operação e supervisão da rede, que permite troca de mensagens entre as equipes de campo e os operadores do sistema. As funcionalidades do sistema de busca, visualização de histórico de eventos e alarmes em tempo real, relatórios e sistema de alarmes podem ser visualizados também no aplicativo para smartphone. Nos tópicos seguintes são apresentadas: a arquitetura da solução, desenvolvimentos realizados para o tratamento de dados e implantação das funcionalidades, além dos resultados obtidos tanto para o portal como para o aplicativo e as conclusões do trabalho. 2. Desenvolvimento 2.1 Arquitetura da Solução A fig. 1 apresenta a arquitetura do novo portal. Dados de medições e estado dos equipamentos de campo são enviados periodicamente aos sistemas SCADA de cada subestação, antes de chegarem ao sistema SCADA central. A cada minuto, o SCADA central envia um conjunto de dados atualizado ao banco de dados do portal, que realiza a armazenagem dos dados e o tratamento de parte deles, através da aplicação de data mining desenvolvida. 2/12

3 Após a solicitação por algum usuário, as informações provenientes do banco de dados passam por um firewall que garante a segurança da rede operativa, antes de serem enviadas a um servidor que comunica-se através de web services. Através desse servidor, trafegam informações tanto do portal como do aplicativo para smartphone, sendo que cada funcionalidade possui um servidor próprio. Por fim, as informações dos servidores chegam aos computadores e smartphones conectados à rede operativa da empresa. Figura1: Arquitetura da Solução 2.2 Desenvolvimento de Aplicação de Mineração de Dados ("Data Mining") Devido à grande quantidade de dados adquiridos dos equipamentos de campo, torna-se interessante um recurso para tratamento e classificação dos mesmos antes de serem enviados aos usuários. Assim, é possível diminuir o fluxo de dados através dos servidores e ainda aumentar a quantidade de informações úteis disponibilizadas [1]. Com esse objetivo, foi desenvolvida uma aplicação de mineração de dados ( data mining ) integrada ao banco de dados do portal. Essa aplicação conta com duas funcionalidades principais: classificação e sumarização de dados Classificação de Dados Classificar os dados refere-se a identificar uma determinada característica nos mesmos e agrupá-los em categorias previamente definidas [2]. Os dados foram classificados em três categorias principais: Dados Normais Dados Anormais Dados com falha de telemetria Essa classificação é realizada a partir de um algoritmo que considera dados de oito semanas anteriores à data atual, olhando sempre o mesmo dia da semana para análise. Utilizando ferramentas estatísticas para determinar uma curva média e a variância máxima permitida para cada ponto dessa curva, as medições adquiridas são classificadas em normais ou anormais. Medições podem ser classificadas como anormais a partir de diversos critérios, conforme ilustrado na fig. 2. Além disso, o algoritmo consegue identificar também medições suspeitas causadas por falha nos equipamentos. Esses dados são classificados no grupo Falha de Telemetria. Vale ressaltar que a análise de dados é feita de maneira contínua, já que o grupo de medições das oito semanas é atualizado constantemente com o passar do tempo. Isso permite, por exemplo, que a solução possa identificar uma nova configuração da topologia da rede como sendo a configuração normal após um determinado número de semanas, 3/12

4 quando a amostra de medições dessa nova configuração tornar-se mais representativa que a anterior. Figura 2: Classificação de dados realizada pela aplicação de data mining Classificar os dados é importante porque permite sistematizar atividades que seriam realizadas constantemente por alguns setores da empresa, gerando aumento de produtividade. Por exemplo, para realizar o planejamento da expansão do sistema, é interessante obter apenas os dados classificados como normais. Sem essa distinção, dados anormais gerados por manobras temporárias, causando aumento de carregamento em um determinado circuito, poderiam sinalizar a necessidade de obras de expansão nesse local, conclusão diferente de quando é analisado apenas o conjunto de dados referente à configuração típica da rede. Para a área de manutenção preventiva, é importante analisar tanto os dados normais quanto os anormais, para estimar os esforços a que estão submetidos os equipamentos e determinar um plano de manutenção eficiente. Por fim, os dados classificados em falha de telemetria não são exibidos aos usuários, ficando disponíveis apenas aos administradores do portal, que são também os responsáveis pela manutenção corretiva desses equipamentos Sumarização de Dados Sumarização refere-se a organizar os dados, apresentando-os de maneira a facilitar o entendimento por parte do usuário [2]. A funcionalidade de sumarização de dados foi desenvolvida para auxiliar na análise de circuitos e equipamentos com carregamento crítico. Além de apresentar o valor máximo da grandeza e o intervalo de tempo em que o circuito ou equipamento apresentou violação no carregamento (o valor limite pode ser configurado pelo usuário), foi implementado o cálculo de uma grandeza que determina o valor da área da curva carregamento versus tempo que está acima do carregamento limite, que indica a intensidade da violação. A fig. 3 ilustra um exemplo hipotético em que as duas primeiras grandezas citadas (valor máximo e intervalo de tempo) não são suficientes para a correta análise do problema de carregamento. Os circuitos 1 e 2 apresentaram o mesmo valor de carregamento máximo e valores diferentes do período de transgressão de carregamento, logo é possível concluir que o circuito 1 apresentou situação mais crítica de carregamento em relação ao circuito 2. Porém, na comparação dos circuitos 1 e 3, ambos apresentam o mesmo valor máximo e o mesmo período de transgressão, sendo necessária uma nova grandeza para determinar que a situação de carregamento do circuito 1 é mais crítica em relação ao outro circuito. Assim, nota-se a importância do cálculo da grandeza chamada de Valor Integralizado (unidade Ampere-hora). 4/12

5 Figura 3: Comparação entre carregamento de circuitos diferentes ao longo de tempo Os recursos de classificação e sumarização de dados são disponibilizados aos usuários na seção relatórios de carregamento do portal. Os demais desenvolvimentos realizados, como a busca através do serviço Google Maps, sistema de alertas para auxílio na operação e supervisão da rede, além das interfaces criadas tanto para o novo portal como para o aplicativo para smartphone, serão apresentadas diretamente na seção resultados. 2.3 Resultados - Portal Página Inicial: Mapa para pesquisas e gráficos em tempo real Na página inicial do portal, é possível utilizar o serviço Google Maps para localizar espacialmente estações e equipamentos da rede elétrica. A busca pode ser realizada através de três filtros principais: estações de subtransmissão, equipamentos do sistema de distribuição aérea e equipamentos do sistema de distribuição subterrânea. A título de exemplo, a fig. 4 apresenta a busca por religadores automáticos, dentro do filtro distribuição áerea. Figura 4: Busca na página inicial do portal Outros desenvolvimentos realizados: possibilidade de realizar múltiplas buscas em um mesmo mapa e de utilizar um filtro para destacar (com cor diferente) os equipamentos com problemas de comunicação. Na parte inferior da página inicial, são disponibilizados gráficos de carregamento (MVA) e frequência (Hz) em tempo real do sistema da AES Eletropaulo, conforme ilustrado na fig. 5. 5/12

6 Figura 5: Gráficos de Carregamento e Frequência em tempo real Relatórios Nesta seção, são disponibilizados relatórios com informações sobre carregamento de transformadores, alimentadores e linhas de subtransmissão, níveis de tensão em alimentadores e recursos para analisar a evolução do carregamento de um equipamento em um determinado período de tempo. Para ilustrar as informações geradas nos relatórios, será apresentado o relatório de carregamento de transformadores. Primeiramente, é possível escolher entre um relatório com informações em tempo real ( online ) ou um relatório com informações de um determinado período de tempo. No relatório online, são apresentadas, para cada subestação, informações sobre quantidade de violações (quantos transformadores da subestação estão com carregamento igual ou superior a 80% do valor nominal) e a posição de carregamento da subestação (maior valor de carregamento entre os transformadores da estação, em valor porcentual ao valor nominal). As subestações são destacadas com cores, de acordo com a faixa de carregamento em que se encontra seu transformador mais carregado. A fig. 6 apresenta o relatório de carregamento online de transformadores. Figura 6: Relatório de carregamento online de transformadores Conforme ilustrado na fig. 7, para cada subestação, é possível visualizar ainda o valor de carregamento nominal ( limite ), valor do carregamento online ( maior violação ) e o porcentual do carregamento em relação ao valor nominal ( posição ) de cada transformador. 6/12

7 Figura 7: Relatório de carregamento online detalhando um transformador Selecionando o relatório com informações de um determinado intervalo de tempo, fica disponível ao usuário a opção desconsiderar valores atípicos, que roda o algoritmo de classificação de dados para descartar medições atípicas que podem não representar um problema real de carregamento. Conforme citado na seção desenvolvimento, o algoritmo para classificação de dados considera sempre o mesmo dia da semana para análise. Caso uma mudança na rede (transferência de carga, por exemplo) seja mantida durante algumas semanas consecutivas, a nova curva de carga será então adotada como curva típica quando o algoritmo realizar essa identificação. Com esse mecanismo, valores referentes a manobras que duraram poucas horas ou dias não serão considerados na elaboração do relatório. Dentro do período de tempo selecionado, além das medições e dos valores limite de carregamento, o relatório apresenta uma variável chamada período, que representa o total de tempo (em horas) em que cada transformador da subestação apresentou violação de carregamento, e o valor integralizado (apresentado anteriormente), que calcula o valor referente à área abaixo da curva carregamento versus tempo e acima do valor limite de carregamento. Dessa maneira, é possível diferenciar violações com durações semelhantes, porém com intensidades diferentes. A fig. 8 apresenta o relatório de carregamento em um determinado período. Figura 8: Relatório de carregamento em um determinado período Caso haja mais de um transformador com violação dentro da mesma subestação, os valores de período e valor integralizado para a subestação serão referentes ao transformador com os piores indicadores. Por fim, o relatório de evolução de carregamento permite analisar a variação do carregamento de determinado equipamento dentro de um período pré-estabelecido. A fig. 9 apresenta a evolução do carregamento dos circuitos da subestação Tamboré, analisada por 12 semanas. 7/12

8 Figura 9: Evolução do carregamento da subestação Tamboré durante 12 semanas Alertas O sistema de alertas foi desenvolvido para auxiliar na operação e supervisão da rede elétrica. Um alerta pode ser criado por usuários autorizados para comunicar informações relevantes, ou criado diretamente pelo sistema SCADA, quando for detectada uma ocorrência na rede. Para uma determinada ocorrência, a partir do alerta e dos comentários subsequentes, será possível acompanhar em detalhes as ações realizadas para atendimento e extinção do problema. Na fig. 10 é possível observar exemplos de alertas. Figura 10: Sistema de Alertas Cada alerta possui um título, breve descrição e uma classificação de criticidade. Um novo alerta recebido altera o contador do menu, além de aparecer momentaneamente no canto inferior direito da página. Ao clicar em um alerta, é possível visualizar a informação completa e escrever um comentário (caso tenha permissão) Informações em Tempo Real Nesta seção, é possível visualizar informações em tempo real de equipamentos em estado anormal, ou equipamentos que, por apresentarem alguma anomalia (chave bloqueada, manutenção em campo, etc), foram destacados com uma etiqueta. A fig. 11 apresenta informações de estado de equipamentos do sistema de subtransmissão da AES Eletropaulo. Equipamentos em estado normal são destacados pela cor verde, enquanto roxo denomina equipamentos em estado anormal de funcionamento. As etiquetas são representadas ao lado do estado dos equipamentos, e basta clicar nelas para obter mais informações sobre a anomalia presente. É possível também visualizar, para cada equipamento listado, o diagrama unifilar da subestação onde está instalado. 8/12

9 Figura 11: Relatório de estado de equipamentos Oscilografias de Eventos Na seção Oscilografias, é possível pesquisar ocorrências na rede em um determinado período de tempo. Para cada ocorrência registrada dentro do período de tempo escolhido, conforme ilustrado na fig. 12, são identificados o local da ocorrência ( Grupo ), equipamento afetado, instante do evento ( Estampa de Tempo Evento ), valores máximos das correntes de fase e neutro e instante em que ocorreu o valor máximo de corrente registrado ( Estampa de Tempo Corrente Máxima ). Figura 12: Informações de oscilografias de ocorrências Para cada ocorrência, é possível obter a oscilografia completa com todos os valores medidos (fig. 13). Figura 13: Oscilografia completa de um equipamento durante uma ocorrência Histórico de Eventos Na seção histórico de eventos, é possível levantar todos os eventos que ocorreram em um equipamento ou estação, 9/12

10 dentro de um período de tempo escolhido pelo usuário. A fig. 14 ilustra o relatório com os eventos ocorridos na subestação Tamboré, entre os dias 01 e 08 de Agosto de Figura 14: Histórico de eventos Para cada evento, são disponibilizadas a data e a hora em que foi registrada a ocorrência pelo sistema, local da ocorrência, tipo de equipamento afetado, descrição detalhada do evento e estampa de tempo que informa precisamente o instante do evento Aplicação para plotagem de gráficos ("GrafMed") A aplicação GrafMed permite plotar gráficos com medições (corrente, fator de potência trifásico ou potência trifásica)de equipamentos da rede, além de disponibilizar diversas ferramentas para manipulação dos dados. Dados de medições dos equipamentos de campo são armazenados a cada minuto e representam a medida instantânea naquele minuto. É possível consultar medições dos últimos dois anos no banco de dados da empresa. É possível escolher o intervalo de tempo entre medições (em minutos) e o período de tempo abrangido no gráfico (dados de um dia, semana ou mês). Em relação à agregação de dados, é possível escolher que sejam mostrados, em cada intervalo, o valor mínimo, máximo, a média dos valores medidos naquele intervalo, ou o valor instantâneo, que corresponde ao valor medido exatamente no final do intervalo. A fig. 15 apresenta os dados de corrente (A) dos circuitos da subestação Tamboré TAM109 e TAM110, para um período de uma semana entre os dias 01 e 08 de Agosto. Figura 15: Gráfico corrente x tempo Para facilitar a análise das informações nos gráficos, é possível adicionar constantes aos mesmos e agrupar (somar ou 10/12

11 subtrair) duas ou mais grandezas plotadas. 2.4 Resultados - Aplicativo para Smartphone O aplicativo para smartphone foi desenvolvido para prover informações relevantes à supervisão remota do sistema. Dentre as informações disponibilizadas no portal, foram incorporadas no aplicativo: Mapa Dinâmico para busca; Relatórios de carregamento e níveis de tensão; Histórico de Eventos; Alarmes em Tempo Real. Na fig. 16 é possível observar as diversas telas do aplicativo desenvolvido: Figura 16: Telas do aplicativo para smartphone Da esquerda para a direita, o menu com as informações do aplicativo é apresentado na primeira tela. Em seguida, a tela de busca através do Google Maps, relatório de carregamento, histórico de eventos e alarmes em tempo real. 3. Conclusões Com o aumento da demanda por energia elétrica e a consequente expansão do sistema elétrico para atender a essa demanda, naturalmente ocorre o crescimento do número de dados obtidos e armazenados pelos sistemas de supervisão e controle. Dessa maneira, soluções que possibilitem a análise e o tratamento desses dados, transformando-os em informações relevantes para os diversos setores da empresa distribuidora de energia, podem ser muito importantes para as empresas do setor elétrico. Desenvolvidos como parte do Projeto Estruturante de Redes Inteligentes da AES Eletropaulo, o Portal Web de Automação e o aplicativo para Smartphone buscaram exatamente transformar dados em informações relevantes, contribuindo para o aumento da produtividade nas atividades desempenhadas dentro da empresa, além da prestação de serviço satisfatória aos consumidores e cumprimento das metas regulatórias estabelecidas pela ANEEL. 4. Referências bibliográficas [1] C. L. Stimmel, Big Data Analytics Strategies for the Smart Grid, CRC Press, /12

12 [2] S. C. Côrtes, R. M. Porcaro, S. Lifschitz, "Mineração de Dados Funcionalidades, Técnicas e Abordagens", PUC- Rio Inf. MCC10/02, Maio /12