COMISSÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA REGIONAL IV CIERTEC

COMISSÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA REGIONAL IV CIERTEC SEMINÁRIO INTERNACIONAL SOBRE AUTOMATIÇÃO DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E CENTROS DE CONTROLE Área de Distribuição e Comercialização Identificação do Trabalho: BR-11 São Paulo, Brasil, Setembro de 2002 A TELEFONIA CELULAR COMO MEIO DE COMUNICAÇÃO ALTERNATIVO À AUTOMAÇÃO DAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO Tema: 02-Automação Autores: CARLOS AUGUSTO DE OLIVEIRA JR. (1) (Autor Responsável); RICARDO GOUVEIA DO MONTE (2) Empresas: (1) CDI AUTOMAÇÃO LTDA; (2) TIM TELENORDESTE CELULAR PALAVRAS-CHAVE: Linhas de Distribuição Telefonia Celular SCADA DNP Telecomando RESUMO Com a crescente evolução da automação das redes de distribuição de energia elétrica, o controle supervisório de equipamentos de alta tecnologia como chaves seccionadoras e religadores telecomandados às vezes é prejudicado devido a enlaces de comunicação críticos, dependendo das distâncias e condições morfológicas onde o equipamento é instalado. Neste trabalho, se propõe o uso da telefonia celular como meio de comunicação alternativo, a fim de permitir que o controle e a supervisão de redes de distribuição sejam implementados de forma rápida, a partir das redes de telefonia celular já existentes. Para se transmitir informações típicas de sistemas SCADA, como dados analógicos (medição de tensão, corrente, potência), digitais (estados do equipamento) e comandos remotos (aberturas, fechamentos e bloqueios), vários tipos de protocolos de comunicação podem ser empregados. Na hipótese de se usar redes celulares como meio de comunicação, o protocolo precisa ser compacto, pois será encapsulado através da rede. Também deve visar uma utilização otimizada do canal de comunicação, o que significa minimizar a DADOS DO AUTOR RESPONSÁVEL Nome: Carlos Augusto de Oliveira Jr. Cargo: Engenheiro de Automação. Telefone: +55 84 984.6436 Fax: +55 84 208.6317 E-Mail: coliveira@cdiauto.com.br redundância, fator comum em protocolos mais antigos, a uma confiabilidade dos dados ótima. Dentre vários disponíveis, o protocolo chamado DNP v3.0 permite que a estação mestre não seja a única a tomar iniciativa na transmissão de dados. Cada estação escrava, ou seja, cada equipamento telecomandado, pode iniciar uma transmissão não solicitada sempre que algum dado considerado significativo altere o seu estado. Isto faz com que não sejam necessárias constantes varreduras da estação mestre - buscando atualizações de estados que provavelmente não mudaram -, reduzindo o uso do canal e se adaptando muito bem à idéia do telecontrole via celular. O uso do DNP3 na rede celular é o foco principal do trabalho. Ao final, são avaliados os impactos na rede e os tempos de atraso da implementação do sistema no controle supervisório. Finalmente, apresenta-se um estudo rápido de viabilidade econômica, concluindo-se que a rede celular pode ser uma alternativa viável na implementação de sistemas telecomandados. 1

1. INTRODUÇÃO A qualidade do setor de distribuição de energia elétrica no país vem crescendo consideravelmente nos últimos anos. Várias concessionárias vem buscando implementar o telecontrole de equipamentos de distribuição, como chaves e religadores, visando minimizar tempos de contingência e, conseqüentemente, melhorar índices de qualidade, pois este tipo de telecomando dá aos centros de operação a capacidade de manobrar circuitos e controlar ocorrências de forma eficaz. Em algumas situações, o telecontrole de equipamentos pode ser prejudicado devido a enlaces de comunicação críticos, dependendo das distâncias e condições morfológicas onde o equipamento é instalado. Neste artigo se propõe uma solução útil em boa parte dos casos, com o uso da rede de telefonia celular já existente como meio de comunicação, permitindo com que o controle e a supervisão das redes de distribuição sejam implementados de forma rápida. É apresentada a arquitetura do sistema, e são descritos cada um dos componentes envolvidos. Também são avaliados os impactos na rede e os tempos de atraso da implementação do sistema no controle supervisório. Finalmente, apresenta-se um estudo de viabilidade econômica, concluindo-se que a rede celular pode se tornar viável na implementação de sistemas telecomandados. 2. JUSTIFICATIVA Em se falando de comunicação de dados digitais, a idéia de conexão via linha fixa discada sempre foi uma alternativa possível, com o uso de modems. Com o advento dos telefones celulares com modem interno, esta idéia fez surgir novas possibilidades de uso da tecnologia, como usar um computador para acessar a Internet estando-se em movimento ou em locais onde não se dispõe de linha fixa. Por outro lado observa-se, em contrapartida à crescente tendência, no Brasil e no mundo, de automação das linhas de distribuição de energia elétrica, que o meio de comunicação pode ser um fator limitante à melhoria do sistema, em alguns casos. Aspectos técnicos ou econômicos podem vir a tornar impraticável o telecontrole de equipamentos cujas distâncias ou características morfológicas da região dificultem a implantação de sistemas de rádio, cabo ou fibra ótica. Não é difícil se encontrar casos práticos onde uma chave ou religador não é instalado em determinado local de grande importância para o sistema devido à impossibilidade de comunicação, apesar da região dispor de cobertura celular. Nestes casos, ou quando não se dispõe de infra-estrutura de telecomunicações, uma solução alternativa e viável é o uso da rede de telefonia celular já existente para telecomandar estes equipamentos. O instrumento de comunicação associado, um simples telefone celular com modem interno, nos dias de hoje, é adquirido e habilitado em um mínimo de tempo possível, geralmente algumas horas, As vantagens desta solução são as seguintes: Custo de implantação e manutenção reduzido; Infra-estrutura mínima; Sem necessidade de regulamentação; Rápida implementação. As desvantagens são as seguintes: 2

Tempo perdido por necessidade de conexão individual; Impossibilidade de implementação onde não há cobertura celular; Dependência do perfeito funcionamento da rede celular; Custo mensal; Este último item pode ser contornado partindo-se para acordos ou contratos entre a concessionária de energia e a operadora de telefonia celular, apesar de, a princípio, isso não ser necessário. A seguir serão apresentados os detalhes técnicos da solução. 3. ARQUITETURA DO SISTEMA A figura 01 apresenta um esboço gráfico da arquitetura do sistema. estação escrava, e uma linha telefônica fixa (ou outro celular) e um modem na estação mestre. Atualmente no mercado já existem aparelhos celulares com modem interno. Citando como exemplo a tecnologia TDMA, os aparelhos Nokia 6120i, Gradiente Concept i e o Ericsson T18 já possuem esta funcionalidade. É necessário um cabo especial, para interface com o Equipamento Terminal de Dados. Um detalhe fundamental na implementação é que a operadora de telefonia celular deve permitir o uso de chamadas de dados em sua rede, e, a cada ligação, deve enviar ao celular a informação distinguindo as chamada de dados das de voz. Se a operadora permite, por exemplo, o recebimento de fax em computador através do celular, muito provavelmente não haverá problemas na implementação do sistema. O aparelho celular também deve possuir a capacidade de distinguir os dois tipos de chamada, além de poder atendê-las automaticamente. 3.2. EQUIPAMENTO DA REDE Figura 01 Arquitetura do Sistema. Apesar de representado apenas um equipamento da rede de distribuição na figura 01, as aplicações aqui discutidas são ponto-multiponto, o que significa que uma só estação mestre pode controlar um grande número de equipamentos. 3.1. COMUNICAÇÃO Para comunicação são utilizados um telefone celular com modem, no lado da O item principal do sistema, o equipamento da rede de distribuição a ser telecomandado, deve possuir um controlador associado, denominado UTR Unidade Terminal Remota, para efetuar a aquisição de dados e ser a interface com a estação mestre do Sistema de Automação, permitindo a execução de comandos remotos. A escolha de um conjunto equipamento + controlador de qualidade é fundamental na obtenção final de bons resultados. Uma opção disponível no mercado é a linha de chaves e religadores de fabricação NU-LEC. Estes produtos representam o estado-da-arte dos equipamentos de distribuição de alta tecnologia. Dentre outros fatores que os diferenciam dos demais produtos do mercado, os equipamentos NU-LEC possuem um cubículo de controle 3

integrado próprio, do mesmo fabricante. Esta característica exclusiva faz com que o equipamento NU-LEC seja o único a atender à norma ANSI C37.61 Clause 6.14 Control Element Surge Withstand. Internamente ao cubículo existe um controle microprocessado, denominado CAPM Control And Protection Module. Este módulo é responsável pela aquisição de praticamente todo e qualquer tipo de dado, digital ou analógico, proveniente do equipamento, além de permitir o controle (abertura, fechamento, bloqueios) local ou remoto. Possui uma grande variedade de protocolos de comunicação, e um registro histórico de eventos e medições, inclusive de energia e demanda. O cubículo possui ainda sistema de alimentação, carregador de baterias, modem e interface de comunicação. O CAPM permite pelo menos dois tipos de aplicações que estão dentro do escopo deste trabalho. É possível telecomandar a chave ou religador utilizando a filosofia SCADA Sistema de Controle e Aquisição de Dados já existente de um Centro de Controle. Também é possível configurar o equipamento remotamente, mudando ajustes de proteção ou quaisquer outros tipos de parâmetros com o uso de um computador. Esta alternativa será apresentada mais à frente. 3.3. SCADA PROTOCOLO DNP3 Para se transmitir informações típicas de sistemas SCADA, como dados analógicos (medição de tensão, corrente, potência), digitais (estados do equipamento) e comandos remotos (aberturas, fechamentos e bloqueios), vários tipos de protocolos de comunicação podem ser empregados. Na hipótese de se usar redes celulares como meio de comunicação, o protocolo precisa ser compacto, pois será encapsulado através da rede. Também deve visar uma utilização otimizada do canal de comunicação, o que significa minimizar a redundância, fator comum em protocolos mais antigos, a uma confiabilidade dos dados ótima. No início das implementações de sistemas SCADA via rádio, os protocolos de comunicação geralmente utilizavam varreduras (polling), ou seja, a estação supervisionada só enviava dados quando solicitada por uma estação concentradora de dados. O canal de comunicação passava a maior parte do tempo trafegando dados repetitivos, o que limitava o número de equipamentos por canal sob pena de elevar o tempo de resposta. Com a evolução dos protocolos, o canal de comunicação passou a ser melhor aproveitado quando resolveu-se transmitir apenas dados que sofreram alteração no tempo desde a última informação enviada, idéia semelhante à da técnica de compressão de áudio e vídeo no conhecido formato multimídia MPEG. Esta técnica é conhecida como Report-By-Exception ou Unsolicited Notification Responses, e otimiza o uso do canal de comunicação, pois permite ao controlador reportar automaticamente mudanças importantes de estado, sem a necessidade de haver varredura da estação mestre. Devido a todas as suas funcionalidades, o protocolo de comunicação DNP3 é uma solução adequada à automação em geral, utilizando meios de comunicação como rádio, cabo ou fibra ótica. O CAPM dos equipamentos NU- LEC, além de possuir saídas RS-232 e V23 FSK para comunicação, ainda permite o uso de modem através da configuração de um número dial-up para discagem em caso de mudanças de estados. Assim, consideremos o sistema de comunicação através da rede celular. Quando o equipamento gerar um evento analógico ou 4

digital, por exemplo, quando a proteção atua e um religador de distribuição abre, o CAPM inicia a discagem do número da estação mestre, efetua a conexão dial-up e envia os dados digitais e analógicos que sofreram alteração. O protocolo DNP3 ainda possui o recurso de classificar os pontos de supervisão com importâncias distintas. Isto permite ao Engenheiro de Automação determinar quais são os pontos que, em caso de mudança de estado, gerarão eventos e, conseqüentemente, chamadas espontâneas, e evita que pontos sem importância gerem chamadas desnecessárias. Assim, antes de se implementar telecomandado via celular, deve-se fazer uma análise crítica de todos os pontos de supervisão dos quais o equipamento dispõe. As chaves e religadores NU-LEC apresentam uma variedade enorme de pontos, e o mapa de classes do protocolo DNP3 deve ser cuidadosamente configurado a fim de evitar o mal funcionamento do sistema. 3.4. SCADA ESTAÇÃO MESTRE A estação mestre do sistema SCADA pode ser um computador, um controlador lógico programável, ou um controlador dedicado a sistemas de automação de energia elétrica, como por exemplo a UTR C50, de fabricação FOXBORO. Esta UTR pode acumular as funções de mestre e de escravo simultaneamente. Assim, a UTR C50 pode ser mestre de chaves e religadores telecomandados na rede de distribuição, e escrava da IHM Interface Homem-Máquina do Centro de Controle. a supervisão e controle de subestações e distribuição, a fim de reduzir o processamento do computador que será usado no Centro de Operação. Como software de IHM, consideremos o programa denominado VTS Virtual Tag System. O VTS possui sua base de dados configurada facilmente usando o Microsoft Access. Pode usar as portas seriais do computador para comunicar com as estações escravas, e permite o uso de modem, interno ou externo. Também é possível ligar-se um aparelho celular com modem a fim de varrer equipamentos da distribuição. O VTS é totalmente compatível com o protocolo DNP3 e com mensagens não solicitadas. Configura-se o VTS para que a chave ou religador supervisionado comunique através de uma porta serial do computador, e indica-se que esta porta utiliza modem. Configura-se o número do telefone celular usado no equipamento da distribuição, e quando o VTS for iniciado, executará a primeira varredura de integridade, atualizando todos os dados do equipamento na tela. Quando o operador do Centro solicitar um comando remoto, o VTS discará para o equipamento correspondente, fechará a conexão e executará o comando. Em seguida, atualizará, na IHM, os dados que sofreram modificações como resultado do comando. A figura 02 a seguir mostra o exemplo de uma tela do VTS, representando uma chave seccionadora NU-LEC fechada, com circulação de corrente. Consideraremos neste trabalho um caso mais simples, que é o da própria Interface Homem-Máquina ser a mestre da rede de distribuição. Ressaltamos, entretanto, que o ideal é que equipamentos como a UTR C50 da FOXBORO executem 5

análise das cargas e alteração rápida de parâmetros. Figura 02 Parte de tela do VTS representando uma chave NU-LEC. A seguir será apresentada uma outra opção de uso da rede celular para automação da distribuição, especialmente eficaz para equipamentos instalados a grandes distâncias ou onde a sazonalidade da carga é um fator crítico. 4. CONFIGURAÇÃO REMOTA Outra opção possível na linha de produtos NU-LEC é a configuração remota do equipamento. O software de configuração próprio de chaves e religadores NU-LEC, denominado WSOS Windows Switchgear Operator System, permite a conexão via modem discado. Assim, com o uso de um computador ou notebook e modem no lugar da estação mestre da figura 01, pode-se utilizar o WSOS para configurar e visualizar todos os dados do equipamento remotamente, mudar parâmetros, criar novos ajustes de proteção ou mesmo efetuar bloqueios e operá-lo. É importante citar que os novos controles CAPM de equipamentos NU- LEC permitem a configuração de pelo menos 10 ajustes de proteção distintos, que podem ser rapidamente permutados através do sistema SCADA. Entretanto, o software WSOS possui muitas funcionalidades, como histórico de eventos e de medições, dentre outras, e assim o Engenheiro de Proteção tem uma grande ferramenta para Associada ao WSOS, uma outra implementação da NU-LEC em seu CAPM é o recurso chamado Change of State Reporting. Semelhante às mensagens não solicitadas do protocolo DNP3, seu objetivo é reportar automaticamente, a um computador rodando o WSOS, mudanças importantes de estado. O WSOS pode gerar um alarme audível a cada nova variação de estado recebida. Em resumo, utilizando-se o recurso Change of State Reporting em chaves e religadores, e através do uso do telefone celular como meio de comunicação até um computador rodando o WSOS, pode-se utilizar este software como a Interface Homem-Máquina necessária para se operar as Redes de Distribuição. Desta forma é possível se implementar muito rapidamente um sistema de supervisão e controle eficaz desses equipamentos, sem a necessidade de uma infra-estrutura robusta. 5. VIABILIDADE ECONÔMICA Analisando-se simplesmente o meio de comunicação, foco deste trabalho, para implantar-se um sistema de automação como os propostos usando telefonia celular, a quantidade de equipamentos auxiliares envolvidos é pequena. No lado da estação mestre, pode-se utilizar um modem e uma linha fixa ou mesmo um aparelho celular com modem interno, o que obrigatoriamente será usado no lado da chave NU-LEC. Os custos de infra-estrutura são altamente reduzidos em relação a sistemas via rádio ou fibra, por exemplo. Não há grandes investimentos, como construção de torres ou lançamentos de cabos de fibra ótica. Adquire-se simplesmente telefones celulares específicos, e seu cabo ou interface aos equipamentos terminais de dados. A aquisição e habilitação destes 6

aparelhos, a princípio, pode ser feita em algumas horas. Se não houver acordo com a operadora celular, entretanto, haverá um custo mensal equivalente às chamadas aos celulares. Consideremos um caso simples, onde não há necessidade de se ter as medições analógicas periodicamente para, por exemplo, se executar estudos de carga. A título de exemplo, vamos supor o uso de uma chave NU-LEC normalmente aberta, usada em um encontro de alimentadores. Fazendo-se uma varredura de integridade a cada 24 horas, o que garantirá diariamente que o sistema de comunicação está funcionando e que a saúde da chave está em perfeitas condições, e supondo-se em média duas manobras na chave por semana, consideremos o custo do minuto da ligação para celular como sendo US$ 0,15, e cada chamada durando 2 minutos. Com estes valores, e supondo o custo da assinatura US$ 7,00, o custo médio mensal desta chave será de US$ 12,70. O valor é muito pequeno comparado aos benefícios que este equipamento pode trazer à concessionária de energia. 6. IMPACTOS NA REDE Caso a operadora de telefonia já disponha do serviço de transmissão de dados digitais implementado, não haverá nenhum impacto na rede celular, já que as transações de dados são equivalentes, no ponto de vista técnico da operadora, a um acesso à Internet via celular ou um recebimento de Fax. 7. TEMPO DE ATRASO Conforme já citado, este tipo de sistema de telecomando via modem discado possui a desvantagem de exigir conexão. Assim, considerando o pior dos casos, em que a estação mestre recebe uma requisição para efetuar um comando, e não está conectada via dial-up ao respectivo equipamento, até o comando ser propriamente executado e a supervisão retornar ao operador, existe um intervalo intrínseco de algumas dezenas de segundos, o que equivale ao tempo de conexão. Este tempo não deve superar a casa de 1 minuto, e depende de outros fatores, como a operadora e o tratamento do protocolo da estação mestre. Esta é o fator que mais limita a solução dial-up.. 8. CONCLUSÃO A rede de telefonia celular pode ser um meio de comunicação viável na automação em linhas de distribuição de energia elétrica. O custo reduzido e a facilidade de implantação podem justificar a utilização nos casos em que há dificuldade de comunicação através de outros meios, ou quando não se dispõe de infra-estrutura de telecomunicações instalada. A solução proposta apresenta um tempo médio teórico de resposta mais elevado em relação a meios de comunicação usuais, como rádio ou fibra ótica, porém este tempo é aceitável, em se considerando a praticidade da solução. Para casos onde o tempo de resposta é um fator crítico, pode-se afirmar que com o desenvolvimento de novos produtos para a área de telefonia celular, e principalmente após a implementação das novas redes celulares GSM no Brasil, poderá ser possível adaptar a idéia deste trabalho ao uso de SMS Short Messages ou GPRS a tecnologia GSM de comutação de pacotes, o que permitirá supervisionar os equipamentos de distribuição sem a necessidade de realização de chamadas. Isto deve reduzir os custos e aumentar a velocidade do sistema, tornando a telefonia celular um meio de comunicação para automação equiparado ao rádio ou à fibra ótica. 7

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] NU-LEC Industries Pty Ltd. Technical Manual for RL27 Pole Mounted Load Break Switch With CAPM4 and CAPM5 Based Controllers and V26 Software. NU-LEC, 2001. [2] NU-LEC Industries Pty Ltd. Technical Manual for U27-12 Pole Mounted Circuit Breaker With CAPM4 and CAPM 5 Based Controllers and V26 Software. NU-LEC, 2001. [3] BEREZOWSKI, Aluízio. VTS Manual de Configuração. CDI Automação LTDA, 2002. [4] FOXBORO Australia Pty Limited. RTU50 DNP3 Master Software User Manual. Foxboro, 2001. [5] NU-LEC Industries Pty Ltd. Windows SOS (WSOS) Technical Suplement CAPM4/5 Version. NU-LEC, 2001. [6] NOKIA Mobile Phones. DLR-3P (Cabo de Dados) Guia para Instalação e Configuração. Nokia do Brasil, 2001. [7] CAMPBELL, Joe. C Programmer s Guide to Serial Communications. 2 ed. SAMS Publishing, 1999. 8