a automatização do gerenciamento de energia

Automação Comercial – P9B

Automatização do Gerenciamento de Energia

Autor: Giovani Sasso Scarpati Disciplina: Automação Comecrial Curso de Engenharia Elétrica Turma P9B - Noturno


Índice

1 – Introdução; 2 – Gerenciamento Energético e sua Automatização; 3 – Levantamento e estudo inicial de implementação;, 4 – Projetos e Soluções de automação; 4.1 – Medidor de Energia; 4.2 – Cabeamento Estruturado; 5 – COE – Centro de Operação e Controle; 6 – Conclusões; 7 – Referência Bibliográficas;


1 - Introdução Com o grande aumento de energia elétrica, a escassez de recursos não renováveis fica cada vez mais próxima, e aliado a isso temos o apelo ambiental pelo preservação das reservas naturais que ainda nos restam, portanto foram determinadas diversas ações de gerenciamento energético pelas empresas, a fim de eficientizar o uso desta energia. 2 - Gerenciamento Energético e a sua Automatização Como foi apresentado acima, toda a mudança que ocorre surge de uma necessidade, e não seria diferente com relação ao assunto que estamos abordando. A utilização da energia elétrica consciente passou a ser um fator vital para o futuro de nossos filhos, netos e demais sucessores. Agora, avaliando no âmbito prático, como seria possível acompanhar em tempo real o consumo energético de uma cidade como São Paulo, ou de uma planta industrial de grandes proporções? Devemos levar em consideração que mais de 80% das instalações elétrica existentes possuem um nível de tecnologia muito abaixo do que nossa atualidade nos oferece, e por isso precisam sofrer diversas atualizações e reformas para atenderem aos projetos de automatização do processo de gerenciamento e operação das fontes de energia. Uma vez compreendida as dificuldades para a implantação de tal tecnologia, devemos avaliar dentre as diversas opções, a melhor, mais eficiente e que proporcione o menor número de falhas possível, pois não estamos projetando um gerenciamento e controle de apenas algumas cargas, mas sim, de plantas industriais inteiras, e até mesmo de cidades do porte de São Paulo, por exemplo. Logo, qualquer falha que houver, irá causar transtornos irreversíveis aos consumidores ligados à estas redes de abastecimento de energia elétrica. Neste documento será apresentando algumas topologias sugestivas para melhor exemplificar as etapas de um processo de automação no gerenciamento de energia e no controle eficiente de toda sua operação. 3 - Levantamento e estudo inicial de implementação Na figura 1 abaixo, apresentamos diagrama em blocos com a apresentação dos painéis elétricos oriundos de seus respectivos transformadores. Observamos que em cada painel elétrico, existe um multimedidor de grandezas elétricas instantâneas, ou seja, um registrador local, que apresenta valores instantaneos de Tensão, Corrente, Potências e demais grandezas, porém sem nenhuma forma de armazenamento. As figuras 2, 3 e 4 apresentam com detalhes cada parte da instalação


Figura 1 – Diagrama de Blocos da Instalação

Figura 2 – Detalhe 1 do Diagrama de Blocos da Instalação Figura 3 – Detalhe 2 do Diagrama de Blocos da Instalação

Figura 4 – Detalhe 3 do Diagrama de Blocos da Instalação


Realizado o levantamento conforme o diagrama de blocos apresentado, é possível iniciar os estudos para implantação da topologia lógica mais adequada, e que atenda as necessidades primárias do cliente. 4 - Projeto e soluções de automação 4.1-Medidor de Energia Como sequência deste estudo de caso, entramos na etapa de projeto, onde será necessário escolher as ferramentas e as soluções de tecnologia para viabilizar nossa implatação do sistema de automação do gerenciamento de energia elétrica do cliente. O conceito principal de gerenciamento de energia elétrica é a aquisição das grandezas elétricas, a apresentação destes valores em forma digital e o armazenamento a fim de geração de relatórios e confecção de um histórico de demanda e consumo. Segundo a ANEEL, através do PRODIST – Módulo 8 um equipamento multimedidor deve atender os seguintes requisitos:

- taxa de amostragem de 16 amostras/ciclo; - conversor A/D (analógico/digital) de sinal de tensão e corrente de 12 bits; - precisão de até 1% da leitura; - apresentar os valores calculados dos indicadores individualmente; - apresentar uma tabela de medição; - apresentar um histograma da tensão;

Diante destes requisítos mínimos, escolhemos como solução um Medidor de Qualidade de Energia, do fabricante Elspec, série G4400, modelo G4430. Este medidor de energia atende com folga a todos os requisistos estabelecidos pela ANEEL através de seu PRODIST. Abaixo apresentamos algumas de suas principais características: - taxa de amostragem de 1024 amostras/ciclo; - conversor A/D (analógico/digital) de sinal de tensão e corrente de 20 bits; - memória interna de 8GB; - comunicação via TCP/IP, RS482/422;

G4400 – Medidor de Qualidade de Energia


Entre outras demais características, o G4430 se destaca por tratar-se de um medidor de qualidade de energia, e não simplesmente um multimedidor de grandezas elétricas. 4.2-Cabeamento Estruturado A escolha do G4430, possibilitou a inclusão de memória de massa integrada no medidor de energia, o que possibilita uma forma de amarzenar as informações que o equipamento registra em tempo real. Tornando necessário o projeto de uma rede lógica, através de cabeamento estruturado, composto por: - Equipamentos ativos de rede (switch, roteadores); - Equiapamentos passivos de rede ( patch panel, DIO, conversores UTP/FO); - Cabos UTP cat. 5E; - Fibra Óptica Monomodo (50u); - Acessórios em geral; Portanto, cada sala elétrica, será considerado em nossa topologia como um ponto de rede, e o núcleo desta instalação será o COE (Centro de Operação Energético), que abrigará um CPD que receberá toda a infraestrura lógica, centralizando e disponibilizando todas estas informações para os operadores do COE. Devido a algumas limitações que o cabo UTP cat. 5e possui, com relação a distância máxima, estamos considerando a instalação de conversores UTP/FO, a fim de solucionar o problema da distância utilizando a fibra óptica, que possui uma tolerância maior com relação a distância máxima. Toda a centralização de nossa topologia está sendo realizada na Cabine 6, através de um switch 24 portas. Após a centralização de todas os lances de cabo UTP, o switch segue com um cabo UTP para o conversor UTP/FO, e o cordão óptico que é originado deste conversor passa por uma fusão com a fibra óptica indoor/outdoor monomodo (50u). Todo lance de fibra óptica indoor/outdoor segue para um respectivo DIO, até chegar no COE, onde é feita a conversão para UTP e conectada no switch servidor (Cisco Catalyst), que irá conectar o computador servidor com rede estruturada dos medidores de energia. Em nossos levantamentos encontramos uma infra existente de FO, conhecida como OPGW, trata-se de uma cordoalha de SPDA, que acompanha as linhas de transmissão aéreas, e que intermamente a esta cordoalha, passa a FO monomodo (50u). E através desta fibra existente, iremos conectar o equipamento na SE440kV, uma das subestações mais distantes do COE. Temos outro equipamento instalado na CTEEP – Cabreúva, cerca de 37km de distância, e adotamos como solução a instalação do equipamento em conjunto com um roteador adsl, e através de uma operadora de telefônia, o equipamento terá acesso a uma rede WAN, que será conectada também com a rede do COE, através da rede administrativa do cliente. Todo os protocos de comunicações serão realizados via TCP/IP, adotando uma topologia de estrela, conforme apresentado na figura 5 abaixo:

SE 230kVTR.40MVA

Cub²culo deProte«o eDistribui«o

Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

SE 88kVTR.37,5MVA


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

PAINEL FRAN¢A


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

PAINEL ITUPERARANGA


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

PAINEL ALECRIM


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

CABINE 6SE230kV

CABINE 7SE230kV

PAINEL CTEEP 1


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

PAINEL CTEEP 2


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

TR. 440kV


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

CABINE 19SE440kV

PAINEL SE CABREĐVA


Multimedidorde

GrandezasEl®tricas

SE CABREĐVA

Medidor deQualidadede Energia

G4430


G4430


G4430


G4430


G4430


G4430


G4430


G4430


G4430

SWITCH

CONVERSORTCP/FO

CONVERSORTCP/FO

CONVERSORFO/TCP

CONVERSORFO/TCP

CONVERSORTCP/FO

CONVERSORTCP/FO

SWITCH

WAN

DIO

DIO DIO SWITCH

CONVERSORFO/TCP

CONVERSORFO/TCP

SWITCH

SERVIDOR


5 - COE – Operação e Controle Com toda a infraestrutura realizada, seguimos com a etapa dos softwares aplicados para fins de automatização, operação e controle. Estes softwares são: - PQSCADA; - Investigator; - WEBSERVER; - ElspecSearch; De autoria do fabricante do medidor de energia, a aplicação destes softwares é o ponto mais importante neste processo de automatização do gerenciamento de energia, pois, são através destes softwares que podemos obter diversas informações em tempo real de cada painel elétrico supervisionado. Na figura 6 abaixo, apresentamos um exemplo da tabela inicial apresentanda por cada equipamento.

Figura 6 – Tela de Monitoramento com valores padrões monitorados em tempo real.


Na figura 7 abaixo apresentamos uma tabela mais detalhada, típica de um sistema estrela 4 fios:

Figura 7 – Tabela completa com todas as grandezas de tensão e corrente.

Na figura 8 abaixo, temos a apresentação dos valores de Potência Ativa, Reativa , Aparente e o Fator de Potência que cada medidor vai apresentar do ponto que esteja supervisionando:

Figura 8 – Tabela de potências e fator de potência.


Na figura 9 abaixo, é apresentada a tabela de Consumo e Demanda, que controla o consumo do painel elétrico em que o medidor está instalado:

Figura 9 – Tabela de Consumos e Demandas.

Como forma de automação e controle, apresentamos na figura 10, o sistema de controle de eventos do equipamento de medição, onde o mesmo monitora as variáveis elétricas selecionadas, e caso estas saiam dos limites de controle estabelecidos o equipamento pode atuar e gerar uma série de eventos:

Figura 10 – Sistema de Lógica e controle de eventos.


Portanto, como forma de automatizar processos, o medidor é incorporado de uma unidade lógica de programação (CLP), não necessariamente um CLP, porém com a filosofia de interpretação de eventos bem parecida, e que através de um módulo I/O adicional, possibilita uma série de entradas e saídas analógicas e digitais. Além de todo controle que o medidor pode exercer analisando e gerenciando a energia elétrica, este equipamento por trata-se de um medidor de qualidade de energia, analisa as perturbações que as correntes harmônicas geram na tensão e na corrente. Na figura 11 apresentamos um modelo típico de histograma de harmônicas:

Figura 11 – Sistema de Lógica e controle de eventos.

6 - Conclusão Concluimos que toda a infraestrutura disponibilizada, agregada ao uso de softwares de gerenciamento SCADA, a fim de obter informações dos equipamentos em tempo real, e como consulta de forma armazenada em memória de massa interna do equipamento, visto que uma resolução de amostragem de 1.024 amostras/ciclo necessita de uma avaliação minuciosa, principalmente com eventos vinculados a partidas de equipamentos e variações na forma de onda da tensão.


A possibilidade de gerenciar a aquisição de dados, selecionando intervalos de tempos específicps em dias determinados, assegura ao cliente a possibilidade de não perder nenhum evento, mesmo que este ocorra num instante em que não exista atenções voltadas para determinado ponto onde existe a instalação de um destes medidores. O software PQSCADA possibilita este gerenciamento, de uma forma extremamente segura, utilizando a plataforma SQL, da Microsoft. Na figura 12 e 13, encerramos este documento apresentando a tela principal do software PQSCADA, principal gerenciador do banco de dados de informações adquiridas dos medidores instalados pela planta industrial inteira:

Figura 12 – PQSCADA – Gerenciamento do banco de dados das medições armazenadas.

Figura 1 – PQSCADA – Schedule – Definição de data/hora para aquisição de informações.


7 – Referência Bibliográficas - PRODIST – Módulo 8 – Aneel; - Artigo “A crise de energia – possíveis impactos”, do Departamento Intersindical de Estatísticas e Estados Socioeconômicos; - MD012-11 – Memoria Descritivo de Instalações Elétricas e Lógicas – Companhia Brasileira de Alumínio, da Empresa Ação Engenharia e Instalações Ltda.

a automatização do gerenciamento de energia

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