xm SEMINARIO NACIONAL DE DISTRIBUI(:AODE ENERGIA ELETRICA

~TEGRA(:AO DE SISTEMA DIGITAL DE AUTOMA(:AO DE SUBESTA(:OES DEDISTRIBUI(:AO

Jose Antonio JardiniLuiz Carlos MagriniPaula Suemi Dantas KayanoRoberto Sadao Arai ShinkaiArnaldo Massato Nakamura

-_~ sistema digital voltado a automayao de subestayoes de energia foi concebido pela EPUSP-

?':::A", objetivando a integrayao de diversos modulos de hardware e software disponiveis no

~~ercado nacional, atraves da utilizayao sempre que possivel interfaces padronizadas ou de

=-_-=lplaaceitayao, tornando 0 sistema flexivel e independente de fornecedores .

•.., 2S consoles de operayao sac utilizados computadores compativeis com IBMlPC, interligados

;;~~rede Ethernet. As funyoes de interface homem-maquina foram implementadas atraves de

~=,frware SCADA amplamente utilizado, denominado InTouch, em ambiente MS Windows,

=Je oferece como alternativa 0 protocolo TCP/IP, considerado aberto.

Para aquisiyao de dados utilizou-se unidades terminais remotas e controladores programaveis.

=:itegrou-se ao sistema reles digitais, cujos os "drivers" de comunicayao foram desenvolvidos

..:.:ilizando-se MS Visual Basic, sendo que para tal os fabricantes disponibilizaram seus

:rotocolos.

L-m prototipo reduzido desse sistema foi instalado na subestayao transformadora de

:istribuiyao que alimenta a Cidade Universitaria. Esta subestayao possui tres transformadores

:e 7,5 MYA e 8 alimentadores, sendo alguns deles vagos. Esse sistema reduzido tinha as

fLlnyOeSde te1ecomando de disjuntores, aquisiyao de valores de tensao e corrente, monitorayao

das proteyoes convencionais, processamento de alarmes e graficos de tendencia. 0 hardware

do prototipo era constituido de urn controlador programave1 da Sistema Automayao e

unidades terminais remotas MOSCAD fabricadas pe1a Motorola. A unidade terminal remota

foi equipada com cartao especial que efetua a transduyao digital de sinais de tensao e corrente.

Os resultados obtidos deram incentivo ao desenvolvimento de urn prototipo de maior porte,

onde serao integrados equipamentos de mediyao digital e reles numericos.

INTEGRA<;Ao DE SISTEMA DIGITAL DE AUTOMA<;AoDE SUBESTA<;OES DE DISTRIBUI<;Ao

['\TRODU<;Ao

~ fl;~<;OES DE UM SISTEMA DE AUTOMA<;Ao

Pag.4

- HARDWARE3.1 Reles Digitais3.2 Controladores Programaveis3.3 Rede MOSCAD

- SOFTWARE4.1 Interface Homem-Maquina4.2 Base de Dados Hist6rica

" PROTOTIPO5. 1 Hardware do prot6tipo5.2 Sistema Central5.3 Telas de Operayao

5. CONCLUsAo..,.AGRADECIMENTOS

-\ introduyao de tecnologia digital em sistemas de controle e supervisao de subestayoes e uma

"::-ealidade"que tende a aumentar, pois existe, atualmente, uma crescente exigencia par parte

:: =' s consumidores de uma energia eletrica de boa qualidade e de urn fornecimento continuo,

~2m menor numero de falhas possivel.

.-\. automatizayao pode proporclOnar praticidade e seguranya na manipulayao de grandes

:..lantidades de informayoes, proporcionando, tambem, recursos de manobra remota, auto-

::~::.gn6stico,maiar confiabilidade e com isso maiar disponibilidade dos equipamentos.

_m sistema aberto de automayao de subestayao de energia eletrica foi desenvolvido pela

:E:PCSP - PEA , utilizando-se m6dulos de software e hardware de diferentes fabricantes,

::sponiveis no mercado nacional. Urn prot6tipo reduzido deste sistema foi montado e instalado

::1::1uma subestayao transformadora de distribuiyao.

o conceito de sistema aberto visa proporcionar uma melhor flexibilidade do sistema, visto que

~:stemas convencionais muitas vezes fazem uso de interfaces padronizadas e na ocorrencia de

.lm defeito tem-se que substituir 0 equipamento por urn equipamento igual ou similar do

::1esmofabricante.

"'"0 prot6tipo foram utilizados unidades terminais remotas Moscad fabricadas pela Motorola,

controlador 16gico programavel fabricado pela Sistema Automayao e microcomputador

compativel com IBMlPC, a funyao de interface homem-maquina foi implement ada atraves do

~oftware SCADA de uso geral, denominado InTouch, desenvolvido pela Wonderware (USA).

• Monitorac;ao;

• Protec;ao;

• Telecomando;

• Interface homem-maquina;

• Armazenamento de dados historicos;

• Grafico de tendencia;

• Registro sequencial de eventos;

• Religamento automatico;

• Monitorac;ao de sobrecarga de transformadores;

• Controle de tensao e reativos;

• Corte seletivo de cargas;

• Sincronizac;ao, etc.

Ctilizou-se tres microcomputadores compativeis com IBM PC, que apresentam arquitetura

aberta e facilidade de manutenc;ao e fornecedores. Cada urn desempenhando uma func;ao,

atendendo 0 principio de processamento distribuido proposto.

Micro 1 - Interface homem - maquina

Micro 2 - Banco de Dados

·_'~ micros estao ligados atraves de uma rede de area local Ethernet de 10 Mbit/s, com::-:::ocolo TCP/IP.

CP

SistemaFIU

Motorola ReleSEG

CPSistema UTR

MotorolaMediyaoDigital

-"':este sistema utiliza-se reles digitais (ABB e SEG), controladores l6gicos programaveis da

_-\llenBradley, dois controladores l6gicos programaveis da Sistema Automayao e uma unidade

.\10SCAD da Motorola, constituida de uma Unidade Terminal Remota (UTR) e uma Fill -

·"Field Interface Unit". Esta em estudo a utilizayao de urn medidor eletr6nico (Power

.\leasurement) e de mais urn rele digital (AEG).

o rele da SEG (modelo MRII-I) e urn rele de proteyao de sobrecorrente que pode ser

interligado em rede de ate 32 unidades, possui protocolo proprietario aberto que utiliza no seu

nivel fisico RS-485.

o rele da ABB (modelo SPAC 535) e urn rete de proteyao de sobrecorrente e direcional fase-

terra, possuindo ainda urn m6dulo de controle com 7 entradas digitais e 6 saidas digitais, este

:-:1odulopermite que se configure ate 5 religamentos consecutivos, com tempos independentes.

Ctiliza canal de comunicayao RS-485 e protocolo proprietario SPA-BUS.

o rele da AEG (modelo PQ-731) e urn rele diferencial com entradas e saidas digitais. Utiliza

:,rotocolo que segue a norma lEC 870.

Os reles da ABB e da SEG, apesar de apresentarem protocolos proprietarios, tiveram

:esenvolvidos seus "drivers" de comunicayao, ja que os fabricantes disponibilizaram seus

;;rotocolos de comunicayao de dados. Desta forma, foi possivel integra-Ios ao sistema. 0

jriver de comunicayao da AEG ainda se encontra em fase de desenvolvimento.

Encontram-se disponiveis no laborat6rio da EPUSP - PEA dois controladores, fabricados pela

Sistema Automayao e cinco controladores programaveis da Allen-Bradley, modelo SLC 502 ..

:\a programayao deste equipamentos utilizou-se os recursos fornecidos pelos fabricantes, uma

\ez que a normalizayao das linguagens de programayao de controladores 16gicos recomendada

peia IEC 1131-3 ainda nao foi adotada pela totalidade dos fabricantes.

A rede MOSCAD e constituida de duas unidades terminais remotas, que se comunicam entre si

atraves de cabo ou radio. Fazem uso de protocolo proprietario (MDLC) na comunicayao entre

as UTRs, mas oferece urn "gateway" para comunicayao externa, atraves de porta com

protocolo Modbus, que e urn protocolo aberto e de amplo uso em sistemas de automayao.

A. UTR da Motorola possui urn cartao com transduyao digital que dispensa 0 uso de

::-ansdutores externos em mediyoes de tensoes e corrente CA

Como software de IBM utilizou-se 0 InTouch, da Wondeware, em ambiente MS Windows.

Este software possui urn interface bastante amigavel com usuario e e constituido de dois

:110dulosprincipais, Window Maker e Window Viewer.

A rede Ethernet responsavel pela interligayao dos microcomputadores, faz uso do protocolo

TCP/IP, considerado urn protocolo aberto.

o MS Windows oferece uma forma de comunicayao entre processos que utiliza memoria

compartilhada para transferencia de dados, essa transferencia de dados e denominada DDE

("Dynamic Data Exchange"). Dessa forma, os dados coletados pelo microcomputador 3 sao

enviados via DDE para os microcomputadores 1 e 2.

No mercado nacional temos diversos software para implementayao de interface homem-

maquina, utilizou-se 0 InTouch por apresentar as caracteristicas basicas necessarias para esta

aplicayao:

- apresenta interface grafica amigavel e padronizada;

- permite interligayao em rede de varios consoles;

- apresenta linguagem de programayao propria que permite 0 escalonamento de tarefas

com precisao de milissegundos;

- possibilita a integrayao de programas desenvolvidos em linguagens de alto nivel;

- boa disponibilidade de drivers de comunicayao para os equipamentos de aquisiyao

de dados encontrados no mercado;

- facilidade no desenvolvimento de novos drivers de comunicayao;

- facil interface com banco de dados relacionais.

'=::, =-r"Ucrocomputador3 gerencia a base de dados hist6rica, atraves do software Oracle, versao

-. que e um servidor de base de dados relacional em ambiente multitarefa, sistema operacional

,.")s 2. A interface utilizada e 0 ODBC ("Open Data Base Conectivity") .

.-\plicativos desenvolvidos em linguagem de quarta gerayao SQL fazem a extrayao seletiva das

~:'Jorrnayoes como mediyoes, variaveis calculadas e indicayoes de estado armazenadas na base

ie dados hist6rica. Tem-se, a seguir, algumas consultas tipicas em um sistema de automayao

.:ie subestayoes:

- mediyoes e indicayoes em um determinado horario ou dia ("snapshot");

- mediyoes de um determinado equipamento;

- alterayoes de estado em um determinado equipamento;

- grandezas que excederam limites operativos;

- relat6rio de sequencia de eventos;

- curva de carga par alimentador ou transformador;

- carregamento em transforrnadores.

A seguir temos uma breve descriyao do prot6tipo reduzido desse sistema, implement ado paraanalise da viabilidade do projeto.

Urn prot6tipo reduzido desse sistema de automayao foi montado e testado na subestayao que

alimenta a Cidade Universitaria. Esta e uma subestayao que abaixa a tensao de 88 kV para

13,2 kV, possui tres transformadores de 7,5 MVA e varios alimentadores, sendo que alguns

deles se encontram vagos.

Nesse prot6tipo foram monitoradas as tens5es e correntes nas tres fases de urn dos

transformadores, alem das protey5es convencionais de sobrecorrente (50/51) de urn dos bays,

bem como 0 telecomando de dois disjuntores de bays vagos.

Utilizou-se como equipamentos de aquisiyao de dados urn controlador programavel da Sistema

Automayao CP 3000 - 2A e a unidade MOSCAD da Motorola. Fez-se uso, tambem, dois

transdutores de tensao, urn PC 486, uma placa multi serial, 0 software "InTouch" e os

respectivos "drivers" de comunicayao.

A unidade MOSCAD e constituida de dois modulos: FlU ("front-end interface") e uma UTR

(Unidade Terminal Remota). Tanto a FlU como a UTR possuem CPU's nas quais sac

processados os programas elaborados em "ladder logic".

A UTR da Motorola executava as funy5es de telecomando do disjuntor do bay 15, supervisao

e telecomando do disjuntor do bay 17 e a funyao de supervisao das correntes e tens5es do

transformador .

A UTR possui dois tipos diferentes de cart5es de aquisiyao de dados e para teste de seu

desempenho optou-se por se fazer a leitura de urn mesmo ponto atraves dos dois cart5es. Urn

cartao monitorava os valores diretamente do transformador de potencial (115Vef) e do

transformador de corrente (SA) enquanto que 0 outro cartao obtinha as mesmas variaveis

atraves de transdutores de tensao.

o controlador programavel da Sistema executava as fun<;oes de monitora<;ao das prote<;oes e

monitora<;ao do disjuntor do bay 15, embora 0 telecomando deste disjuntor tenha sido feito

atraves da unidade terminal remota Motorola.

o sistema central e formado por urn microcomputador compativel com IBMlPC 486

DX/33MHz, onde foram instalados os softwares de programa<;ao e os drivers de comunica<;ao

dos equipamentos.

Todas as telas desenvolvidas para opera<;ao possuem boWes que permit em a navega<;ao entre

telas. Cada uma delas sera descrita a seguir:

Tela "Subesta<;ao": temos nesta tela, apresentada na FIGURA 5.3-1, 0 unifilar simplificado da

subesta<;ao ETD - USP, destacando os equipamentos monitorados e comandados. 0 estado

dos equipamentos e representado pelas suas cores de preenchimento (verde para aberto,

vermelho para fechado e magenta para estado indefinido).

------------~---------~~---~o

J1 1

~

Tela "BAY": nesta tela, FIGURA 5.3-2, temos a representayoes dos disjuntores que podem

ser operados e os valores maximos de corrente e tensao nas tres fases do transformador. Na

parte inferior tem-se urn pequena tela onde sac visualizados os avisos de alarmes do sistema.

~esta tela pode-se telecomandar os disjuntores, do seguinte modo: acionando 0 botao do

mouse em cima do simbolo do disjuntor a ser manobrado, aparecera uma tela de operayao com

os boWes Abre, Fecha e Cancela, cabe ao operador escolher 0 comando desejado c1icando em

cima de urn desses boWes. 0 sistema avisa ao operador 0 comando de uma operayao indevida,

par exemplo, mandar abrir urn disjuntor que se encontra aberto.

Tela "TRAFO": tem-se a representayao do transformador monitorado, seus valores de

correntes e tensoes nas tres fases e graticos de tendencia das tensoes e corrente. Esta tela esta

apresentada na FIGURA 5.3-3.

I

~

hI -I

20/0920/0920/0920/09

14:55:04 EVT SY314: 55: 09 ALM HI14:55:09 ALM HI14:55:14 ALM HI

13 IN-TOUCHIMAXV3 IN-TOUCH

231 230 ffi1ACK ALM231 230 U1>IACKALM

15.2 15.18 ffi1ACK ALM

TIlNsAO TRANSOillOR13.8

Va = 0.00 I<V13.5

Vb 0 0.00 kV

~ Va= 13.1613.3

I<V

~~Vb 0 13.86 I<V 13.0

,d ~

'Ie"" 13.95 I<VA 'I

Tela de Prote<;ao: tela, FIGURA 5.3-4, onde esHio representadas as prote<;oes do disjuntor 15.

Convencionou-se que no caso de atua<;ao da prote<;ao, seu simbol0 pisca em vermelho ate que

ele volte a situa<;ao normal. Pode-se telecomandar 0 disjuntor 15 atraves dessa tela tambem,

3eguindo 0 mesmo procedimento anteriormente descrito.

o aberto

o fechado

Tela "Arquitetura de Hardware": nessa tela tem-se uma representa<;ao de como os

equipamentos estao interligados e quais as fun<;oespor eles desempenhadas.

ARQUITETURA DE HARDWARE

SISTEMA,----

III

___ I

MOTOROLAr--------,I II 1

I II

FlU RTU IL _

CP3000I2A

MONITOPA9AO-DISJUNTOR 15-PROTB;OES

FlU CPU300

RTU CPU200

MONITORA9AO-DISJUNTOR 17-CORRENTES-TENSOES

COMANDOS-DISJUNTOR 15-DISJUNTOR 17

Foram feitos todos os testes em laboratorio antes da instalayao do prototipo na subestayao,

utilizando-se de urn modulo de teste, composto de leds, chaves e urn variac ligado a rede

eIetrica. Apos as testes em laboratorio, montou-se 0 prototipo na subestayao. Os testes de

telecomando e de atuayao da proteyao foram efetuados com sucesso. Os valores de mediyao

foram confirmados pe10s dois processos de aquisiyao de dados.

Desse modo, com a instalayao do prototipo, comprovou-se a possibilidade de montar urn

sistema utilizando-se equipamentos de diversos fabricantes com protocolos diferentes

necessitando apenas de uma correta adequayao na comunicayao do sistema.

?:-estamos nossos agradecimentos: a Eletropaulo par permitir a instala<;ao na ETD e ao Eng.

C'a.staldo pelo apoio na instala<;ao e teste; a SND e a FAPESP pe10 suporte dado ao laborat6rio

G.-\-GTD da EPUSP - PEA

I - Jardini, Jose Antonio. Sistemas Digitais para Automa<;ao da Gera<;ao, Transmissao e

Distribuiyao de Energia Eletrica. Sao Paulo, 1996.237 p.

II - Magrini, Luiz Carlos. Concepyao de urn Sistema Digital de Supervisao e Controle para

Subestayoes de Energia Eletrica. Sao Paulo, Escola Politecnica da USP, 1995.

III - Soares Jr, J. C. Integra<;ao de Reles Digitais em Sistemas de Automacao de Subestayoes.

Sao Paulo, Escola Politecnica da USP, 1995.

IV - Leal, M. P. Base de Dados Historica para urn Sistema de Automayao de Subestayao. Sao

Paulo, Escola Politecnica da USP.

v - Jardini, Jose Antonio & Magrini, Luiz Carlos. Sistema Aberto de Automayao para

Subestayoes de Energia Eletrica. Mar del Plata, Argentina, I Congresso Latinoamericano

Generacion y Transporte de Energia Electrica, 1995.

VI - Jardini, Jose Antonio et alli. Automayao de Subestayoes: Instalayao de urn Prototipo na

ETD - USP.Sao Paulo, INDUSCON'96, 1996.

v - Jardini, Jose Antonio et alli. Automayao de Subestayoes e Distribuiyao Industrial. Sao

Paulo, V Encontro Nacional de Instalayoes Eletricas, 1996.