Evolução do Self-Healing Centralizado da COELBA

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1 XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri SENDI a 10 de novembro Curitiba - PR - Brasil Mauricio Machado de Azevedo Fernandes Junior Neoenergia S.A. mafernandes@neoenergia.com Rodrigo Pereira Riedel Neoenergia S.A. rriedel@neoenergia.com Evolução do Self-Healing Centralizado da COELBA Palavras-chave Automação Centralizado SAGE Self-Healing Resumo Este trabalho aborda as questões fundamentais avaliadas no processo de alteração da filosofia de self-healing centralizado implantada na Coelba. O projeto de Self-Healing da Coelba foi estruturado com a utilização do processador lógico SEL-3530 interligado ao gateway de comunicação que, por sua vez, comunica com os equipamentos automatizados da rede de distribuição, após a definição de um circuito, foi implantado um projeto piloto e, posteriormente, iniciou-se um acompanhamento contínuo da solução self-healing, avaliando tanto os seus aspectos positivos quanto negativos. Dentre os principais problemas encontrados podemos citar: Dificuldade de Simulação da Modelagem Lógica Aplicada Engessamento do Processo de Expansão Surgimento de gargalos que, em caso de defeito, impactam de forma abrangente a operação da rede elétrica Dificuldades em inserir novos equipamentos, assim como alterar os equipamentos já existentes nas lógicas na base do processador e no SCADA (em função da dinâmica de mudanças que ocorrem na Rede de Distribuição), sem interrupções para o controlador. 1/11

2 Neste contexto, foram realizados novos desenvolvimentos no SCADA possibilitando a construção de uma nova arquitetura para o Self-Healing da empresa, a partir de premissas pré-definidas, a fim de minimizar e/ou sanar os problemas encontrados. 1. Introdução O conceito de Redes Inteligentes ou Smart Grids não é definido de uma única forma, pois se relaciona com todas as áreas do setor elétrico, portanto, torna-se um principio imensamente abrangente. É possível resumi-lo em uma ideia ligada à aplicação da mais alta tecnologia existente, visando melhora da qualidade do fornecimento de energia, operação do sistema elétrico, aperfeiçoamento do uso dos equipamentos, diminuição de perdas e conscientização do consumo. Na área da distribuição de energia, a rede elétrica aparece como a mais problemática e menos confiável, muito devido à sua extensão e exposição às mais diversas intempéries, tais como fenômenos climáticos, adversidades urbanas das mais diferentes formas, realizar instalações adequadas, entre outras. A partir desta problemática as concessionárias de energia têm investido massivamente na Automação da Rede de Distribuição visando uma maior confiabilidade na operação do sistema além de reduzir a área de impacto dos defeitos. Esta prática tem se refletido nos índices DEC (Duração de Interrupção Equivalente por Consumidor) e FEC (Frequência de Interrupção equivalente por Consumidor), sendo que sua redução não impacta apenas na qualidade do fornecimento, mas evita, também, potenciais multas impostas pelas agências reguladoras. Religadores e chaves seccionadoras automatizadas fornecem mais do que possibilidades de manobras e atuações de proteções. O uso desses equipamentos dispõe às mais diversas áreas, registros de dados analógicos e digitais que proporcionam uma visão mais abrangente do sistema elétrico, propiciando uma análise mais detalhada das ocorrências e do comportamento da rede e minimizando o tempo necessário para mitigação de um defeito ou manutenção de equipamentos. Vale ressaltar que, além dos equipamentos já citados, as empresas estão investindo também em diversas soluções para sensoriamento com o intuito de prever as ocorrências, minimizar o tempo de falta de fornecimento e/ou número de consumidores atingidos. O aumento da quantidade de informações obtida, aliada à maior velocidade com que são fornecidas contribui para uma maior confiabilidade no gerenciamento do sistema elétrico. O investimento em tecnologia digital contribui significativamente para que isso seja alcançado e as redes elétricas se aproximem das características das Smart Grids. Neste contexto, cada vez mais ações vêm sendo tomadas com o objetivo de aumentar a visibilidade da rede e suas características em tempo real. Esta nova realidade também impõe certas dificuldades aos centros de operação. O número de dados apresentados pelo SCADA passou a crescer de maneira exponencial, dando assim, mais atribuições aos controladores do centro de operação, que precisam estar cada vez mais capacitados e atentos ao funcionamento da rede, além do compromisso da equipe responsável pela gestão do SCADA em proporcionar as informações o mais simples e intuitivo possível para providências dos controladores. A partir do crescimento do parque de equipamentos automatizados, bem como da evolução da capacidade de processamento, já previstas por Moore, além do desenvolvimento das telecomunicações, surge o conceito da reconfiguração automática da rede de distribuição. Através de manobras feitas automaticamente por determinados equipamentos inteligentes é possivel minimizar os 2/11

3 impactos causados por trechos defeituosos com uma maior seletividade, ou seja, com o mínimo possível de consumidores afetados pelo defeito, sem atuação direta do operador, minimizando assim os possíveis erros humanos. Este novo ambiente possibilita ao operador atuar como um supervisor, podendo trabalhar de uma forma menos reativa, analisando detalhadamente o sistema como um todo e tomando as melhores ações para o funcionamento da rede elétrica. 2. Desenvolvimento 2. Self-healing A reconfiguração automática no Sistema de Automação da Rede de Distribuição torna possível que após uma contingência num determinado alimentador, o ponto onde ocorreu a falta seja rapidamente identificado e as manobras necessárias para isolar aquele trecho sejam feitas da maneira mais rápida e confiável possível, sem interferência humana. Conseqüentemente, espera-se que o menor número possível de clientes seja afetado com o isolamento do trecho defeituoso, reduzindo, assim, as perdas de faturamento para a concessionária que poderiam ser causadas pelo não suprimento de energia a um número muito grande de consumidores. Além de minimizar a possibilidade de multas a partir da apuração dos indicadores de continuidade por parte do órgão regulador. (LIMA, 2012) Lógicas avançadas com informações analógicas, medições de tensão e contadores implantadas em pontos estratégicos do sistema de distribuição fazem com que pontos de perda de tensão sejam detectados para coordenar os dispositivos de proteção rapidamente e a reconfiguração automática da topologia da rede seja feita. 2.1 Implantação Self-healing Centralizado Atualmente, sistemas de proteção devidamente implantados de acordo com as filosofias já apresentadas contribuem para a operação segura dos alimentadores de distribuição visto que essa é uma das prioridades mais importantes para uma distribuidora de energia elétrica. Sistemas de supervisão e controle somados a procedimentos de operação são aplicados visando manter bons níveis de segurança e desempenho da rede. A aplicação de um Sistema de Automação da Distribuição (SAD) torna possível a detecção de um maior número de falhas na rede de distribuição em relação aos sistemas tradicionais aplicados atualmente. As contingências na rede são tratadas com maior segurança e velocidade a partir dos dados obtidos do sistema. Com o objetivo de identificar rapidamente a ocorrência de condições anormais de operação na rede de distribuição, o SAD gerencia e executa as ações e manobras necessárias a fim de reduzir ao máximo a área afetada pelo problema e, por conseguinte, o número de consumidores com o fornecimento de energia comprometido por aquele determinado defeito. O SAD deve: Ter níveis altos de confiabilidade: Identificar de forma precisa o ponto com problema, isolar o trecho sob falha o mais rápido possível e manter o fornecimento de energia às unidades consumidoras que não deveriam ser afetadas pela falha; Proporcionar uma maior seletividade no sistema com a aplicação da reconfiguração automática; 3/11

4 Melhorar os índices de continuidade e qualidade de suprimento, minimizando as perdas de faturamento e riscos de multas reguladoras; Apresentar um sistema alternativo de localização de faltas: Proporciona-se, assim, o conseqüente encaminhamento correto das equipes de manutenção, assim, reduz-se o tempo de pesquisa do local da falta e a duração total da interrupção; O conceito do SAD se relaciona profundamente com o principio de Redes Inteligentes, com a aplicação deste sistema, em escalas maiores, quebra-se paradigmas da forma como o sistema elétrico é controlado e operado atualmente. Com a possibilidade do próprio sistema se reconstituir com qualidade e apontar corretamente onde ocorreram os problemas, minimiza-se bastante os consumidores afetados pelas interrupções de fornecimento e eleva-se de maneira considerável a proteção do sistema elétrico como um todo, além de diminuir o tempo necessário para resolução do problema e reconstituição da distribuição plena de energia. Muitos dos propósitos ligados a Smart Grids relacionam-se com o aperfeiçoamento de práticas atuais, como é o caso da melhoria da reposição de serviço, ou seja, reestabelecimento do fornecimento de energia, com o Self-Healing (Reconfiguração automática). (MOREIRA, 2011). Com base nessas premissas foram avaliadas as mais diversas soluções e conceitos possíveis no mercado, classificadas da seguinte maneira: Centralizada: O algoritmo de remposição fica alocado no nivel do centro de controle; Semi-centralizado: A inteligência do sistema fica em ambiente intermediário, em sua maioria nas próprias subestações, abarcando apenas parte da rede elétrica, localizada nas imediações da subestação em que está instalado. Distribuido: A lógica de recomposição fica inserida nos próprios equipamentos; Diante das caracacteristicas específicas de cada solução foi escolhida a centralizada devido ao seu baixo custo, a possibilidade de utilizar os equipamentos já existentes no parque (composto por fabricantes diferentes), além de atender, tomando como base a relação custo/beneficio, os limites definidos pelo procedimento de distribução (PRODIST). Outro fator a ser destacado em relação à escolha da solução centralizada é o fato de ter uma implementação mais simples e de fácil expansão, já que o funcionamento se dá com apenas um concentrador, localizado num ponto estratégico do sistema. Isso facilita o acesso ao equipamento e a configuração levando em conta que a implementação de novos circuitos se dará de maneira análoga aos já existentes. 2.2 Solução Self-healing Coelba Projeto Piloto Foi utilizado, para a solução de self-healing centralizado na Coelba, o processador lógico SEL Este controlador, fabricado pela Schweitzer Engineering Laboratories (SEL), destina-se à automação da distribuição, se comunica com diversos religadores, controles de comutação, relés de disjuntores e outros dispositivisos eletrônicos inteligentes. Executa algoritmos avançados no nível do sistema elétrico automatizando procedimentos de isolamento de defeitos e de 4/11

5 restauração de energia durante situação de curto-circuito. É dotado de um servidor web para Interface Homem-Máquina (IHM) e, na sua memória, existe uma biblioteca contemplando suas principais funções para atuação da reconfiguração automática, tais como: Falta Permanente; Falta de Fase; Cabo Partido; Perda de Tensão na Barra; Controle de Sobrecarga; Transferência; Desligamento; Monitoramento de Condições Anormais; Seleção de Alimentador Alternativo de acordo com Capacidade; Resposta a Múltiplas Faltas; Seqüência de Retorno à Condição Normal Automática; Em conjunto com o fabricante do equipamento, a COELBA desenvolveu um projeto piloto de reconfiguração automática visando testar os seus impactos nos índices de qualidade de fornecimento, sua confiabilidade de funcionamento bem como as mudanças nos procedimentos de operação do sistema. Na primeira etapa definiu-se o diagrama unifilar do trecho desejado. O circuito escolhido obedeceu à topologia da figura 1, com uma chave seccionadora NA, duas chaves seccionadoras NF e dois disjutores, com funções de religamento, na saída das SEs. Figura 1- Topologia do Circuito do Projeto Piloto 5/11

6 O processador lógico foi instalado no edifício sede da COELBA de maneira que a aquisição, supervisão e controle fossem feitos remotamente. A arquitetura adotada pode ser vista na Figura 2. Vale destacar que o uso do protocolo de comunicação DNP3.0 foi uma grande facilidade na implementação deste sistema já que os meios de comunicação já utilizados davam suporte a tal protocolo. Figura 2- Arquitetura do Projeto Piloto A comunicação com os relés dos disjuntores das SEs foi feita através do SEL-2030, um concentrador com o protocolo de comunicação próprio da SEL. Em relação às chaves seccionadoras, utilizou-se a estrutura já existente para comunicação via GPRS com protocolo DNP Resultados Projeto Piloto Após a implantanção do projeto piloto, tivemos a primeira atuação com sucesso da recomposição automática. Um defeito monofásico numa linha de 69kV que abastece a subestação de AGS (Águas Claras), fez com que todo o barramento ficasse sem tensão. Após 1min e 29s, período inferior ao definido no PRODIST, toda a carga daquele alimentador foi transferida para a subestação alternativa do circuito que era CJD (Cajazeiras II). Com o sucesso desta primeira ocorrência, foi realizada a expansão da solução para mais 16 circuitos. No decorrer do período de expansão outras atuações continuaram ocorrendo e, em todos os casos, as lógicas de recomposição funcionaram adequadamente, a exemplo de uma ocorrência no primeiro trecho do alimentador da subestação de São Cristovão em que foram executados os comandos respectivamente na chave NF e NA, isolando o trecho defeituoso em menos de 20s. Apesar do sucesso de reconfiguração em todas as ocorrências sob supervisão do SAD, algumas dificuldades foram encontradas, tais como: 6/11

7 Dificuldades de Expansão o Conforme dito anteriormente, a comunicação com os relés dos disjuntores das SEs envolvidas foi feita utilizando o concentrador SEL-2030, isso gerou um gargalo na expansão do SAD, já que era determinante que tais relés fossem de modelo SEL, já que a comunicação se dava via protocolo próprio da SEL, além disso, tal arquitetura demandava alterações físicas nas instalações das SEs para que a comunicação funcionasse. Falta de Ambiente de Simulação o Desde a implantação do SAD, no primeiro circuito e em todos os outros adicionados posteriormente, as configurações foram implementadas no SEL-3530 e colocadas em funcionamento sem nenhum tipo de simulação, já que não há um software próprio para testar tais configurações, além disso, seria iniviável a instalação física de relés simulando o modelamento do circuito utilizado no SAD. Congelamento dos Pontos Reportados pelo SEL-3530 o Houveram alguns problemas de comunicação entre o concentrador e o SCADA. Tal situação impediu, inclusive, a operação de alguns equipamentos pelo operador. 4. Definição de Nova Arquitetura As dificuldades relatadas no tópico anterior acenderam algumas discussões quanto ao funcionamento Ideal da solução de self-healing implantada. Como resultado deste brainstorming foi definido uma nova arquitetura baseada nas seguintes premissas: Defeitos no Concentrador não poderiam impedir a Operação do Sistema Elétrico o A filosofia é manter os controladores como um backup do sistema de self-healing para que, em caso de algum defeito no concentrador, a operação do sistema não seja comprometida. Neste contexto, a comunicação entre o SCADA e os IEDS permaneceria funcionando independente de falha no concentrador. Modificações sem Impacto à Operação 7/11

8 o Alterações ou adições de informações em qualquer circuito da rede elétrica, não devem sofrer atrasos provenientes do processo de configuração do concentrador responsável pelo self-healing (situação constante da empresa, devido à natural expansão do numero de religadores e chaves automatizados na rede de distribuição). Eliminar a Necessidade de Intervenções Físicas nas SEs e Limitação de modelo do IED o As diversas SEs automatizadas têm relés de fornecedores diferentes, a limitação por fabricante de IEDs dificultou o processo de definição dos circuitos para expansão do sistema de self-healing, além disso, intervenções físicas atrasavam todo o processo de implantação. Possibilitar a Inserção de Novos Pontos Facilmente o Em caso de inserção de pontos de monitoramento ou operação no mapeamento dos equipamentos já automatizados, é fundamental que esses novos pontos possam ser inseridos na lógica de self-healing da maneira mais simples possível, sem comprometer o funcionamento do sistema. Considerando as premissas descritas acima, chegou-se à definição de uma nova arquitetura de instalação do SAD, mostrada na figura 3: Figura 3- Nova Arquitetura do SAD 5. Configurações para a Nova Arquitetura do SAD Como pode ser visto, nesta nova arquitetura, o concentrador SEL-3530 não se encontra mais entre o SCADA e os 8/11

9 equipamentos em campo, visando a manutenção do funcionamento do sistema em caso de qualquer problema inesperado, uma das premissas definidas previamente. A comunicação se dá por dois canais DNP3.0 distintos, diretamente entre o SEL-3530 e os servidores do SCADA, sendo que em uma ligação o concentrador funciona como mestre e outra como escravo. Para a implantação dos dois canais DNP3.0 ligando os servidores SCADA ao concentrador do SAD fez-se necessário um desenvolvimento que possibilitasse a adaptação do gerador de base automática das bases do SCADA da Coelba já que este não contemplava uma distribuição DNP3 através de um SAGE (SCADA da Coelba) do Centro de Operação até então. Esse desenvolvimento foi feito pelo Cepel (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica), empresa sem fins lucrativos que é responsável pelo SAGE. Após esse desenvolvimento, ficou definido que dois mapas DNPs deveriam ser configurados para cada ligação: Concentrador como Mestre o Mapa DNP com as sinalizações dos relés envolvidos no self-healing. Trata-se de um mapa seqüencial onde são adicionados todos os pontos referentes a cada equipamento (disjuntores, chaves, religadores). Nesse mapeamento, estão as sinalizações dos equipamentos automatizados e, a partir da análise dessas sinalizações, o concentrador do SAD fará as decisões de operação do sistema para posterior envio de comandos visando a isolação do trecho defeituoso. Concentrador como Escravo o Mapa DNP com as sinalizações do próprio concentrador ao SCADA, aqui também são mapeados os comandos enviados pelos operadores para manipulação do sistema de self-healing (ativação/desativação do SAD, retorno à posição normal, exclusão/inclusão de circuitos). A figura 4 ilustra os principais pontos de sinalização deste mapa: 9/11

10 Figura 4- Sinalizações do Concentrador Ambos os mapas DNPs descritos acima devem ser gerados e atualizados em tempo real no SCADA, portanto, foram feitas adaptações no Coelbase (programa de cadastro das base de dados utilizado pela Coelba, onde se encontra toda a configuração dos equipamentos automatizados) de maneira que os mapas pudessem ser configurados facilmente com inclusão de equipamentos, mudanças de índices, etc. Uma característica importante em relação à nova arquitetura adotada é que o fato do concentrador do self-healing estar comunicando diretamente com o SCADA torna possível o envio de qualquer informação monitorada pelo centro de controle, seja de equipamentos de manobra (chaves, religadores, disjuntores) ou equipamentos do próprio sistema elétrico (transformadores, sensores, etc). A definição de envio ou não de pontos de determinados equipamentos depende da filosofia de cada empresa ou do perfil de circuito que será implementado. 3. Conclusões Após a implantação da nova arquitetura definida, conforme descrito acima, todas as ocorrências funcionaram adequadamente, com as devidas sinalizações aos operadores e com rapidez suficiente para manter o fornecimento de energia ao máximo de consumidores possível. O tempo de configuração foi reduzido, sendo que as intervenções não impactaram em momento algum a comunicação dos equipamentos com o SCADA, mantendo o funcionamento deste independente do sistema de Self-Healing. Todas estas características (constante expansão e funcionamento adequado sem impacto em caso de defeito) elevaram bastante a aceitação do sistema dentro da empresa, principalmente pelos operadores do centro de controle que, em certos momentos estavam descrentes com a solução, provocado pela pouca quantidade de equipamentos contemplados, pelos travamentos ocorridos, e pela própria dificuldade implícita no processo de mudança. 10/11

11 Em paralelo ao processo de expansão, tem-se como objetivo futuro definir, em conjunto com o centro de operação, quais pontos deverão ser inseridos para tornar possível a habilitação de novas funcionalidades do concentrador de reconfiguração automática como, por exemplo, atuação para transferência de carga de acordo como o carregamento dos alimentadores envolvidos (é possível configurar a capacidade de cada alimentador no sistema). Pretende-se avaliar o uso de chaves manuais no sistema de reconfiguração, ou seja, enviar para o concentrador o estado da chave não automatizada que foi inserido manualmente pelo controlador a fim de lhe dar uma maior visualização do circuito, além disso, tornar possível a inserção de circuito que ainda não estão totalmente automatizados. Essa questão requer uma grande colaboração dos controladores visando manter a sinalização manual fidedigna com o estado em campo. O grande gargalo que é visto hoje e ainda não foi encontrada solução, apesar da consulta a diversos fornecedores feita pelos responsáveis pelo projeto na Coelba, é a implantação e utilização de um ambiente de simulação adequado para o sistema de Self-Healing. Um sistema como esse requer uma confiabilidade extrema, visando sempre a segurança dos equipamentos, dos envolvidos e da população, além da atuação correta para manter o fornecimento de energia. Atualmente, as configurações são feitas e já inseridas em tempo real, assim, para o uso em circuitos cada vez mais complexos do sistema elétrico, vê-se como fundamental a presença de um sistema de simulação de qualidade para validar as configurações e manter a possibilidade de erros no menor patamar possível. 4. Referências bibliográficas FERNANDES JUNIOR, M. M. de A. Reconfiguração Automática da Rede de Distribuição e Seus Impactos na Operação f. Monografia (Especialização em Redes Inteligentes). Universidade de Pernambuco, Recife - UPE, LIMA, D. H. L. L. Projeto de Reconfiguração Automática (Self-Healing) de Redes de Distribuição de Média Tensão da COELBA f. Monografia (Especialização em Engenharia do Sistema de Distribuição de Energia Elétrica). Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, Salvador, MOREIRA, R. M. M. Análise Técnico-Econômica de Estratégias de SelfHealing em Smart Grids f. Dissertação (Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores). Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, /11