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Modernização e Implantação das Funções de Análise de Rede em Tempo Real no Centro de Controle da Companhia Paulista de Força e Luz
 

Modernização e Implantação das Funções de Análise de Rede em Tempo Real no Centro de Controle da Companhia Paulista de Força e Luz

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Since 1990, CPFL has been working to upgrade its control centers (including hardware and software) intending to implement a full Energy Management System, EMS. This work describes the real-time ...

Since 1990, CPFL has been working to upgrade its control centers (including hardware and software) intending to implement a full Energy Management System, EMS. This work describes the real-time implementation of the network analysis functions focusing the main real-time software development, its environment and the directions taken by CPFL on doing this. It's also shortly described the CPFL network analysis functions and its real-time exections.

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    Modernização e Implantação das Funções de Análise de Rede em Tempo Real no Centro de Controle da Companhia Paulista de Força e Luz Modernização e Implantação das Funções de Análise de Rede em Tempo Real no Centro de Controle da Companhia Paulista de Força e Luz Document Transcript

    • MODERNIZAÇÃO E IMPLANTAÇÃO DAS FUNÇÕES DE ANÁLISE DE REDE EM TEMPO REAL NO CENTRO DE CONTROLE DA COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ Freire, L. M.; Zagari, E. N. F.* Martins P. R. D.; Mokarzel Jr., F. B.; Rodrigues, L. F. G.; Kishi, M.** * OSE - Divisão de Estudos da Operação ** OEPS - Setor de Engenharia de Software de Automação Companhia Paulista de Força e Luz Rodovia Campinas Mogi Mirim, km 2,5 Campinas - SP - Brasil 13.088-900 Resumo: A CPFL vem desde 1990 trabalhando na modernização de seus centros de controle, tanto do ponto de vista de equipamentos (hardware), como de software, com o intuito de implantar um EMS (Energy Management System) completo [2]. Este trabalho mostra parte dessa modernização enfocando a implementação em tempo real dos aplicativos de análise de rede. São descritas as soluções de implantação adotadas pela CPFL, apresentando-se o ambiente e os principais programas de tempo real desenvolvidos. Em seguida são apresentadas sucintamente as Funções de Análise de Rede (FAR) e sua forma de execução em tempo real. Palavras-chave: Aplicativos de Tempo Real, Funções de Análise de Redes, Centros de Operação e Controle. Abstract: Since 1990, CPFL has been working to upgrade its control centers (including hardware and software) intending to implement a full Energy Management System, EMS. This work describe the real-time implementation of the network analysis functions focusing the main real-time software developement, its environment and the directions taken by CPFL on doing this. It’s also shortly described the CPFL network analysis functions and its real-time executions. Key words: Real-time software, Network Analysis Functions, Control Centers. 1. INTRODUÇÃO As empresas que estão iniciando a implantação ou modernização de seus centros de controle têm à disposição uma nova concepção para Ao longo dos últimos anos, as empresas o projeto destes centros, baseada nos seguintes concessionárias de energia em todo o mundo têm conceitos: realizado grandes esforços para o desenvolvimento, implantação e consolidação dos chamados EMS • integração dos processos produtivos e onde as funções de análise de rede são parte administrativos da empresa (rede corporativa), importante desse processo. Neste sentido, a dando origem a sistemas de informação Companhia Paulista de Força e Luz - CPFL firmou integrados, um convênio com o Departamento de Sistemas de Energia Elétrica da UNICAMP, para o • arquitetura aberta e processamento distribuído desenvolvimento dessas funções instituindo o em todos os níveis e funções. Projeto FAR (Funções de Análise de Rede) [6]. Uma vez desenvolvidas essas funções e testadas de Assim, tendo em mente esses novos modo off-line restava ainda suas implementações conceitos especificou-se um ambiente para em tempo real. A performance exigida pelas FAR implementação das FAR que permitisse também aliada a conceitos de concepção ultrapassados uma migração gradativa das funções (obsolescência) de nosso sistema supervisório desempenhadas pelo sistema SCADA (Supervisory alavancaram o processo de modernização de nossos Control and Data Acquisition) para este novo centros de controle. ambiente. Neste trabalho são descritas sucintamente
    • as soluções adotadas pela CPFL, assim como os principais aplicativos de tempo real, cujo Escolhido o hardware e o sistema desenvolvimento se fez necessário para a operacional, persistia ainda um último problema, implementação em tempo real das FAR no centro que é a multiplicidade de versões e implementações de controle da CPFL. do Unix. Qualquer que fosse a escolha deveria ser levado em consideração a disponibilidade de suporte para processamento em tempo real, necessária para implantação de sistemas de 2. AMBIENTE DE IMPLANTAÇÃO controle. Além disso, seria desejável seguir os padrões “de facto” e tendências de mercado de modo a tornar possível a evolução do SDDT para Os dados que alimentam as funções de Sistemas Abertos. análise de rede são provenientes do SDDT (Sistema Digital Distribuído de Telecontrole), o sistema Os sistemas Unix que atendem aos SCADA da CPFL. requisitos de tempo real são o Unix System V Release 4.x (SVR4.x) e o OSF/1. Dos dois apenas o O SDDT é baseado numa arquitetura SVR4.x conseguiu se firmar como um padrão “de distribuída, implementada por micros PCs facto” na indústria. As implementações de Unix interligados através de uma rede proprietária (VGI - para PC que seguiam o padrão SVR4.x na época Via Geral de Interconexão). O sistema operacional eram as seguintes: e o protocolo de comunicação também são proprietários e de domínio da equipe de • UHC Unix desenvolvimento da CPFL. • Sun Solaris 2/386 • Novell Unixware As funções de análise de rede exigem um hardware de alta performance para realizar os Optou-se pelo Novell Unixware devido às cálculos necessários. Atualmente no mercado o suas características superiores de requisito de desempenho só é atendido por interconectividade e interoperabilidade com outros máquinas com arquitetura RISC. Estas por sua vez sistemas, tais como DOS e Netware. se utilizam, na sua grande maioria, de sistemas operacionais UNIX e rede Ethernet com protocolo A mesma restrição com relação ao sistema TCP/IP. operacional é valida também para a estação RISC destinada ao FAR. Na época da aquisição dos Dessa forma, ficou configurada a equipamentos as opções existentes para necessidade de se criar um Gateway para fornecedores de estações RISC com Unix SVR4.x interconectar os dois ambientes: o proprietário eram as seguintes: (SDDT) e o comercial (Unix). • Sun Microsystems (Solaris 2/Sparc) Para implantação deste Gateway existiam • Sillicon Graphics (Irix) duas opções, a saber: Ambas atendem plenamente às 1. - PC com placa Ethernet e sistema necessidades, e a escolha da Sun se deu de forma operacional do SDDT: esta opção ocasional, pois no processo de aquisição por implicaria no desenvolvimento de licitação não houve nenhuma proposta de driver para placa Ethernet e de todo o fornecimento de Sillicon Graphics. protocolo TCP/IP no ambiente do SDDT. Além da implantação das funções de análise de rede, existiam outras funções a serem 2. - PC com placa de rede VGI e implementadas, como o Gerente de Dados sistema operacional Unix: esta outra Corporativo que é um banco de dados em Oracle opção implica apenas no com todas as informações do sistema SCADA e os desenvolvimento de um driver para dados do FAR e outras funções ligadas ao placa VGI no ambiente Unix, uma vez gerenciamento da operação do Sistema Elétrico da que o TCP/IP é nativo do Unix. CPFL. Surgiu então o SGO (Sistema de Gerenciamento da Operação) que é a denominação Foi escolhida a segunda opção por ela ser dada para o ambiente que integraria essas mais simples de se implantar visto que tínhamos o funcionalidades dando origem ao nosso EMS domínio do protocolo e do hardware utilizado na (Figura 1). placa VGI, o que não era o caso para a placa Ethernet e para o protocolo TCP/IP.
    • funcionalidades básicas do sistema operacional utilizado no SDDT para o ambiente Unix, bem como desenvolver partes específicas necessárias no ambiente Unix, tais como o driver da placa de rede proprietária do SDDT (VGI). Esta estratégia permitiu uma transição suave para o resto da equipe. As APIs desenvolvidas são descritas sucintamente a seguir. 3.1 ICP - INTERFACE DE COMUNICAÇÃO ENTRE PROCESSOS API que tem por finalidade prover funções básicas de comunicação entre processos de uma aplicação ICP ou entre processos de várias aplicações ICP distribuídas em rede [3]. O ICP também implementa extensões ao serviço de escalonamento de processos do Unix dentro de aplicações ICP. Uma aplicação ICP permite a criação dos seguintes tipos de processo: 3.1.1 PROCESSO DE TEMPO REAL Processos usados para atendimento a eventos que exigem resposta imediata. 3.1.2 PROCESSO TIME-SHARING: Figura Error! Unknown switch argument.: Processos da aplicação de um Arquitetura do EMS modo geral, escritos na forma de um loop perpétuo a ser executado com prioridade rotativa. O SGO futuramente também servirá como base para a migração gradativa das funcionalidades 3.1.3 PROCESSO TIME-SHARING DE do SDDT para uma plataforma aberta baseada em EXECUÇÃO FINITA COM sistemas não proprietários. PRIORIZAÇÃO: Processos que devem ter uma 3. DESENVOLVIMENTOS prioridade alta no Sistema, porém não podem ser de tempo real pois ocupariam a UCP por um tempo muito longo. Estes A maior parte da equipe responsável pelo processos têm prioridade superior aos desenvolvimento das funcionalidades do SGO não processos de Time-Sharing comuns, porém possuía conhecimentos de desenvolvimento em inferior aos processos de tempo real. Unix. De modo minimizar o custo em treinamento e o tempo de implantação, optou-se por treinar um 3.2 SCA - SERVIÇO DE COMUNICAÇÃO grupo limitado de pessoas em Unix. Estas pessoas ENTRE APLICAÇÕES ficaram encarregadas de desenvolver APIs (Application Program Interface) para portar as
    • Implementa um protocolo de comunicação orientado a eventos entre processos de aplicações FAR é um conjunto de programas ICP de modo a permitir a abstração da forma de computacionais com características de execução em conexão e roteamento de pacotes, deixando em tempo real, em implantação no centro de operação evidência apenas as informações relacionadas à do sistema (COS) da CPFL, que visam fornecer ao aplicação em si. operador informações depuradas sobre o estado operativo do sistema elétrico da empresa e de suas concessionárias vizinhas, em condições normais de 3.3 BD - MÓDULO DE BASE DE DADOS DE operação ou sob contingências. TEMPO REAL A implantação do FAR traz vários Implementa o gerenciamento da carga e benefícios à operação do sistema, proporcionando atualização da base de dados de tempo real para as um considerável aumento na segurança operativa e aplicações ICP, bem como as formas de acesso à na qualidade do fornecimento de energia. Entre mesma. A atualização das bases de dados é feita de eles, podemos citar: forma automática através de eventos que são gerados pelas aplicações e transmitidos através do • minimização dos erros incorporados aos dados SCA. telemedidos, detectando e identificando medidas incompatíveis; As três APIs foram concebidas de forma a permitir que a implementação de uma aplicação no • redução de investimentos na instalação de SGO seja estruturada em camadas hierárquicas, unidades terminais remotas (UTR's) e na conforme mostrado na Figura 2. postergação de obras de expansão do sistema elétrico, uma vez que proporciona um melhor uso e aproveitamento de seus equipamentos, aumentando o número de pontos supervisionados; • treinamento para operadores, possibilitando simulações de contingências a partir do estado atual ou de dados históricos do sistema. O primeiro aplicativo de tempo real é o configurador de rede, que é responsável por determinar a topologia do sistema elétrico em tempo real, processando os estados (aberto/fechado) dos disjuntores e chaves seccionadoras. O segundo aplicativo de análise de rede utilizado engloba as funções de análise de observabilidade e estimação de estado [5]. Esta função determina qual(is) é(são) a(s) parte(s) observável(is) do sistema, a partir do conjunto de Figura Error! Unknown switch argument.: medições e do modelo fornecido pelo configurador, Camadas de uma Aplicação do SGO e calcula uma melhor aproximação do estado (magnitudes e ângulos das tensões do sistema) da(s) mesma(s). Assim, a fim de manter sempre atualizada a informação estimada do estado do Além da modularidade e flexibilidade, um sistema, a função de observador+estimador é sistema estruturado em camadas torna-se mais executada na mesma freqüência do configurador. portável, pois apenas as camadas mais baixas acessam diretamente as funções do sistema Para modelar os sistemas vizinhos que operacional. Dessa forma, os módulos da camada exercem influência no comportamento do sistema de aplicação são inerentemente independentes do elétrico da empresa, é usado um programa de sistema operacional. modelagem da rede externa [4], que deve ser executado à medida que são adquiridos novos dados do sistema externo. 4. FUNÇÕES DE ANÁLISE DE REDE
    • Uma vez modelada a rede externa, o ainda ser executada através de chamadas quarto aplicativo de tempo real estima o estado das aperiódicas pelo operador, com o intuito de partes não observáveis, complementando o modelo atualizar as informações de violações de tensão e de tempo real do sistema de interesse para o carregamento de linhas sob contingências para o instante no qual foram realizadas as medidas. Esta estado corrente de operação. Já a função de estudo função faz o papel do fluxo de potência on-line. é ativada somente quando há uma requisição do operador do sistema. Por fim, o último aplicativo de tempo real, a análise de contingências [1][7], tem a função de avaliar se o estado de operação do sistema é seguro ou inseguro com respeito a um conjunto de contingências. Dentre as funções de análise de rede, existe ainda o módulo de estudos, que é constituído da função de fluxo de potência off-line com análise de contingências. Através dela, torna- se possível simular situações operativas programadas ou previstas e analisar situações passadas, além de permitir um treinamento dos operadores do sistema. A Figura 3 ilustra a seqüência lógica de execução das funções de análise de rede no Centro de Controle da CPFL, bem como as operações de entrada/saída de cada uma delas. 5. EXECUÇÃO DAS FAR EM TEMPO REAL Para tornar possível a execução das funções de análise de rede em tempo real, foi necessário o desenvolvimento de um escalonador, que, conforme já mencionado, foi implementado através do ICP. A função básica do escalonador é a de conceder o uso do processador ao aplicativo de maior prioridade em estado de pronto do sistema. Cada aplicativo, por sua vez, possui uma periodicidade de ativação pré-definida, que é determinada de acordo com a ordem lógica de execução das funções de análise de rede e da capacidade de processamento do hardware a elas destinado. No caso do Centro de Controle da CPFL, as funções de configuração, análise de Figura Error! Unknown switch argument.: observabilidade e estimação de estado da rede estão Sistema de Análise de Rede sendo executadas a cada 15 segundos. A função de cálculo do estado (V, θ) e do fluxo de potência nas linhas, assim como a modelagem do sistema de interesse, são executadas a cada 15 minutos. A Os dados de tempo real requeridos pelas modelagem da rede de interesse é realizada a partir funções de análise de rede são permanentemente de dados históricos de carga e geração do Sistema atualizados em memória volátil, a fim de melhorar Interligado Sul-Sudeste e dados de tempo real das o desempenho computacional . Quando estas concessionárias vizinhas. Uma lista de funções são executadas em tempo real, no entanto, contingências consideradas severas pode então ser o acesso a estes dados podem gerar conflito, avaliada automaticamente, indicando se o sistema criando “regiões críticas” nestes aplicativos. A elétrico se encontra em um estado operativo seguro garantia de “exclusão mútua” a estas regiões é ou não. A função de análise de contingências pode realizada através do uso de semáforos.
    • entre Processos”. Companhia Paulista de Força e À medida que processa as funções com os Luz, Campinas, SP, nov. 1995. dados de tempo real, a estação FAR devolve os resultados ao SDDT e à estação de Gerência de [4] MONTICELLI, Alcir J. et al.. “Real-Time Dados (GD), que realiza o armazenamento histórico External Equivalents for Static Security de informações do sistema elétrico. A apresentação Analysis”. IEEE Transactions on Power ao operador dos resultados provenientes da Apparatus and Systems, vol. 98, no. 2, pp. 498- execução das FARs é realizada no mesmo ambiente 508, Mar./Abr. 1979. no qual são apresentadas as informações telemedidas, preservando o ambiente de trabalho do [5] MONTICELLI, Alcir J.; GARCIA, Ariovaldo operador. V.. “Fast Decoupled State Estimators”. IEEE Transactions on Power Systems, vol. 5, no. 2, pp. O desempenho alcançado na execução das 556-564, May 1990. FAR em tempo real pode ser considerado excelente. A execução da função de estimação de [6] MONTICELLI, Alcir J.; GARCIA, Ariovaldo estado em período tão próximo ao da varredura do V.. Relatórios 02, 03, 04 e 05 do Convênio de sistema SCADA, proporcionou à CPFL um Cooperação entre CPFL e UNICAMP, Campinas, aumento da observabilidade de seu sistema, que era 1990-1995. ligeiramente superior a 30%, ao patamar de 50% de suas subestações, o que, por si só, já é um ganho [7] STOTT, Brian; ALSAÇ, Ongun; considerável. Com os benefícios trazidos pelas MONTICELLI, Alcir J.. “Security Analysis and demais funções, aliados aos da estimação de estado, Optimization”. Proceedings of the IEEE, vol. 75, tem-se tornado evidente que o esforço empreendido no. 12, pp.1623-1644, Dec. 1987. na elaboração do sistema de análise de rede teve o retorno desejado. 6. COMENTÁRIOS FINAIS Com a implantação do projeto, constatou- se que as soluções adotadas pela CPFL para a modernização de seu Centro de Operação, permitindo a abertura para sistemas comerciais, trouxe ganhos significativos tanto na parte técnica como econômica. Além disso, os excelentes tempos de execução das FAR obtidos em tempo real indicam a eficiência dos desenvolvimentos dos aplicativos de tempo real e da adequação do ambiente computacional adotado. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BALU, Neal at al.. “On-Line Power System Security Analysis”. Proceedings of IEEE, vol. 80, no. 2, pp. 260-280, Feb. 1992. [2] FREIRE, Luciano M.; GARCIA, Ariovaldo V.; MONTICELLI, Alcir J.. “Modernização Incremental do Centro de Operação do Sistema da CPFL”. In: 1o Simpósio de Automação de Sistemas Elétricos, 1992, Campinas, SP. Anais ... Campinas: CPFL, 1992. p. 318-328. [3] KISHI, Mio; MARTINS, Paulo R. D.. “Guia do Programador ICP - Interface para Comunicação