Download - Scada_br e Geracao Heolica
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PR-REITORIA DE PS-GRADUAO E PESQUISA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
RONALDO ANDRUSYSZYN CELINO
APLICAO DA NORMA IEC 61400-25 NA AUTOMAO E CONTROLE DE
PARQUES ELICOS NO BRASIL
SO CRISTVO (SE)
FEVEREIRO DE 2014
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RONALDO ANDRUSYSZYN CELINO
APLICAO DA NORMA IEC 61400-25 NA AUTOMAO E CONTROLE DE
PARQUES ELICOS NO BRASIL
Dissertao de Mestrado apresentado ao
Programa de Ps-Graduao em
Engenharia Eltrica PROEE, da Universidade Federal de Sergipe, como
parte dos requisitos necessrios
obteno do grau de Mestre em
Engenharia Eltrica.
Orientador: Prof. Dr. Milthon Serna Silva
SO CRISTVO (SE)
FEVEREIRO DE 2014
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APLICAO DA NORMA IEC 61400-25 NA AUTOMAO E CONTROLE DE
PARQUES ELICOS NO BRASIL
RONALDO ANDRUSYSZYN CELINO
DISSERTAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PS-
GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA PROEE DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DE SERGIPE COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA
A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA ELTRICA.
EXAMINADOR POR:
Prof. MilthonSerna Silva, D.Sc.
Orientador DEL/UFS
Prof.Selnio Rocha Silva,D.Sc.
Examinador Externo DEE/UFMG
Prof. Carlos Alberto Villacorta Cardoso, D.Sc.
Examinador Interno DEL/UFS
SO CRISTVO (SE)
FEVEREIRO DE 2014
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Dedico esta pesquisa s pessoas que,
direta ou indiretamente, contriburam
para a sua realizao, principalmente, ao
meu filho Lucas que, certamente, foi o
que mais sentiu com a minha ausncia e,
muitas vezes com os meus excessos.
Uma dedicatria especial para a minha
me Maria Cristina que, em todos os
momentos bons e ruins, da minha
formao, sempre esteve ao meu lado,
em todos os sentidos, quer apoiando,
auxiliando ou socorrendo.
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AGRADECIMENTOS
Ao final do Mestrado em Engenharia Eltrica, conquistado com muito sacrifcio
e afinco, os meus sinceros agradecimentos:
Primeiramente a DEUS que sempre esteve ao meu lado, orientando-me na busca
do caminho correto da boa frequncia, pela oportunidade e pelo privilgio no
compartilhamento da experincia acadmica. Por ter me capacitado e derramado toda
sorte de bnos, para chegar ao final do Mestrado, com este projeto conclusivo.
Aos meus pais, Agnaldo Celino e Maria Cristina, a quem devo a minha educao
e formao, que ensinaram a mim o caminho do bem, da moral e que, certamente,
contriburam para realizao deste sonho.
Ao meu filho Lucas, fonte principal de inspirao e entusiasmo, na minha
caminhada acadmica e, tambm, na concluso desta dissertao.
minha esposa Polyana, amiga e companheira, pela pacincia e compreenso
nos momentos difceis que vivemos, deixando de lado, quase sempre, as diverses e
passeios.
Ao meu sogro Valdison e a minha sogra Alneide, pelo apoio incondicional nesta
minha jornada.
Aos meus irmos, parentes e amigos, com os quais sempre posso contar.
Universidade Federal de Sergipe, que juntamente com os seus mestres e
doutores, tem proporcionado a todos os seus alunos, a determinao pela busca contnua
do conhecimento renovado.
Ao professor orientador Doutor Milthon Serna Silva por suas seguras e
atenciosas orientaes sobre esta pesquisa, levando-me a acreditar sempre.
Aos professores Josevaldo Feitoza e Fbio Menezes (ambos Petrobrs) pela
ateno, vocs contriburam muito com esta pesquisa.
Agradecer, antecipadamente, aos membros da banca examinadora, por suas
participaes e honrosas contribuies.
Enfim, esta dissertao no poderia ser produzida sem ajuda de muitas pessoas.
Muito Obrigado.
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No confunda derrotas com fracasso nem vitrias com sucesso. Na vida de um campeo sempre haver algumas
derrotas, assim como na vida de um perdedor sempre haver
vitrias. A diferena que, enquanto os campees crescem nas
derrotas, os perdedores se acomodam nas vitrias. (Roberto Shinyashiki).
"Nas tendas dos justos h jubiloso cntico de vitria; a destra
do Senhor faz proezas."(Salmos 118:15)
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Resumo da Dissertao de Mestrado apresentado ao PROEE/UFS como parte dos
requisitos necessrios para a obteno do grau de Mestre (Me.).
APLICAO DA NORMA IEC 61400-25 NA AUTOMAO E CONTROLE DE
PARQUES ELICOS NO BRASIL.
RONALDO ANDRUSYSZYN CELINO
FEVEREIRO/2014
Orientador: Prof. Dr. Milthon Serna Silva
Programa: Engenharia Eltrica
O objetivo da pesquisa desenvolver um sistema de superviso, comunicao e
controle, implementado em um software de superviso livre o ScadaBR, para parques
elicos instalados e/ou a serem instalados no Brasil, a partir das consideraes e
recomendaes da norma IEC 61400-25. A construo de parques elicos completos,
com automao total, tem levado os empreendedores a focalizar seus esforos no s no
lucro e produtividade, mas tambm no: capital humano, preocupando-se com o sistema
de gesto, domnio tecnolgico e comunicao em todos os nveis. O processamento da
informao com a comunicao, abriu fronteiras com as novas formas de
relacionamento e a crescente tendncia na rea de automao industrial, favorece que
diferentes dispositivos comuniquem-se com outros de uma maneira cooperativa. No
entanto, os maiores fabricantes de usinas de gerao elica ainda oferecem solues
proprietrias caixas pretas para as redes de campo, o que resulta numa diversidade de
protocolos de sistemas, levando dependncia desses fornecedores. Visando a
interoperabilidade e flexibilidade de operao, grupos de pesquisadores defendem
normas de padro aberto, como a soluo de redes e protocolos para todos, deixando os
clientes livres. Nesta luta, a organizao mais conhecida na rea de energia elica a
norma IEC 61400-25, especificamente para o sistema de monitoramento e comunicao
livre entre diferentes fornecedores de equipamentos, porm a comunicao interna dos
componentes da usina de energia elica no est no mbito desta norma. A faixa de
aplicao da norma abrange parte da operao desse tipo de usina, incluindo turbina de
vento, sistema de medio meteorolgica, sistema eltrico e sistema de gesto, mas no
inclui a linha relevante de alimentao e informao da subestao. Da a interao com
o sistema supervisrio ScadaBR, desenvolvido em modelo open-source de licena
gratuita. Prope-se a aplicao de uma multi-plataforma baseada em Java, a partir de
um servidor de aplicaes, com o Apache Tomcat a escolha padro. Considerando as
exigncias do modelo de comunicao presentes na Norma IEC 61400-25-2, define-se
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um modelo de informao para monitoramento e controle de usinas elicas, para tal,
parte-se do simulador de dados MatrikonOPC, por meio da interao cliente / servidor
OPC DA (Object Linkingand Embedding for Process Control Data Access), com o
software ScadaBR.
Palavras-chaves: Energia elica, SCADA, Sistema supervisrio ScadaBR, OPC,
protocolo OPC DA, Automao e Controle, Norma IEC 61400-25.
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Abstract of Dissertation presented to PROEE/UFS as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master.
APLICAO DA NORMA IEC 61400-25 NA AUTOMAO E CONTROLE DE
PARQUES ELICOS NO BRASIL.
RONALDO ANDRUSYSZYN CELINO
FEBRUARY/2014
Advisors: Prof. Dr. Milthon Serna Silva
Department: Electrical Engineering
The goal of this project is to develop a system of supervision, communication
and control, implemented in a free supervisory software the SCADABR for installed
wind farms and/or to be installed in Brazil, from the considerations and
recommendations of IEC 61400 - 25. The construction of complete wind farms with full
automation, has led entrepreneurs to focus their efforts not only on profit and
productivity, but also in: human capital, concerned with the management system,
technological mastery and communication at all levels. Information processing with
communication, opened borders with new forms of relationship and growing trend in
the industrial automation field, which favors different devices to communicate with
others in a cooperative way. However, the largest manufacturers of wind generation
plants still offer proprietary solutions "black boxes" for the networks field, which results
in a variety of protocols of systems, causing the client the full dependence on these
suppliers. Aiming interoperability and flexibility of operation, groups of researchers
advocate standards of open model, as the solution of networks and protocols for all,
leaving customers free. In this struggle, the best-known organization in the field of wind
energy is IEC 61400-25, specifically for the monitoring system and free communication
among different equipment vendors, nevertheless internal communication of the
components of wind power plant is not within the standard. The application range of
the standard covers the operation of this kind of wind farm, including wind turbine,
meteorological measurement system, electrical system and management system, but
does not include the relevant line of the substation feeding and information. Hence, the
interaction with the supervisory system SCADABR developed in "open-source" model
of free license. It is proposed the application of a multi-platform Java-based, from an
application server, like Apache Tomcat the standard choice. Considering the
requirements of the present communication model in IEC 61400-25-2 it is defined a
model of information for monitoring and control of wind power plants, to this end, part-
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data simulator MatrikonOPC through customer / OPC DA server interaction (Object
Linking and Embedding for Process Control Data Access), with ScadaBR software.
Keywords: Wind power, SCADA, Supervisory system Scada BR, OPC, OPC DA
protocol, Automation and Control, IEC 61400-25.
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LISTA DE ILUSTRAES
Figura 2.1 Hierarquia tpica de um controle de potncia 24
Figura 2.2 rvore com os passos lgicos para a implementao da automao 26
Figura 2.3 Estgios da automao e controle 28
Figura 2.4 Modos do estado de operao do sistema eltrico 29
Figura 2.5 Exemplos dos tipos de dados adquiridos 31
Figura 2.6 Diagrama tpico do limite de uma quantidade controlada 32
Figura 2.7 Configurao tpica de um sistema SCADA 35
Figura 2.8 Elementos de um sistema SCADA aplicado ao sistema de potncia 37
Figura 2.9 Estrutura do modelo simplificado do SCADA em tempo real 37
Figura 2.10 Sistema de comunicao primrio em uso para automao 38
Figura 2.11 Tipos de comunicao atualmente em uso para automao 39
Figura 2.12 Opes de tecnologia de comunicao fsica 40
Figura 2.13 Arquitetura do protocolo DNP 42
Figura 2.14 Arquitetura da camada IEC 60870-5-101 43
Figura 3.1 Tarefa do sistema de controle de uma turbina elica 47
Figura 3.2 Sistema de medio de vento na nacelle de uma turbina offshore 49
Figura 3.3 Sensores de velocidade e direo de vento combinados 49
Figura 3.4 Medindo o ngulo de azimute da direo do vento e da nacelle 50
Figura 3.5 Comparao do controle de uma estao de energia trmica e elica 51
Figura 3.6 Sistema de controle ativo de uma turbina elica 52
Figura 3.7 ngulo de passo e de ataque 53
Figura 3.8 Atuadores de controle 56
Figura 3.9 Sensores de velocidade 57
Figura 3.10 Sensores de vibrao 57
Figura 3.11 Anemmetro e cata-ventos 58
Figura 3.12 Sensores eltricos 58
Figura 3.13 Straingages 59
Figura 3.14 Regies tpicas de operao de uma turbina elica 59
Figura 4.1 Modelo conceitual da IEC 61400-25 66
Figura 4.2 Processamento de dados pelo servidor 67
Figura 4.3 Modelagem virtual (conceitual) 68
Figura 4.4 Relao de ns lgicos 69
Figura 4.5 Estrutura do modelo de informao de uma usina elica 71
Figura 4.6 Uso de instncias para ns lgicos 74
Figura 4.7 O papel do cliente e do servidor 75
Figura 4.8 Modelos de servios do modelo de troca de informao 75
Figura 4.9 Modelo conceitual de troca de informaes para uma usina elica 77
Figura 4.10 Modelo de servio IEM com exemplos 78
Figura 4.11 Diagrama de sequncia 79
Figura 4.12 ACSI mapeamento de pilhas de comunicao / perfis 81
Figura 4.13 Perfis de comunicao 82
Figura 4.14 Resumo de mapeamento de IEC 61400-25-3 83
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Figura 5.1 Parte da norma sobre os ns lgicos especficos da turbina elica 86
Figura 5.2 Janela MatrikonOPC Server for Simulation and Testing 88
Figura 5.3 Janela Insert New Alias 89
Figura 5.4 Janela MatrikonOPC Server for Simulation and Testing 90
Figura 5.5 Janela MatrikonOPC Explorer 91
Figura 5.6 Janela MatrikonOPC Explorer (Group0) 91
Figura 5.7 Janela MatrikonOPC Explorer com as tags do projeto 92
Figura 5.8 Tela de login do sistema supervisrio 93
Figura 5.9 Tela de configurao para usurios 93
Figura 5.10 Tela para configurar data sources 94
Figura 5.11 Tela Propriedades do OPC DA 95
Figura 5.12 Lista de tags no MatrikonOPC Server for Simulation 95
Figura 5.13 Tela Propriedades do OPC DA exibindo as tags adicionadas 96
Figura 5.14 Data point sendo visualizado na aba watchlist 97
Figura 5.15 Lista dinmica com data points selecionados 97
Figura 5.16 Tela sobre os detalhes do data point 98
Figura 5.17 Tela Propriedades do data point 98
Figura 5.18 Tela inicial do sistema 99
Figura 5.19 Tela do sistema representando o estado de Sergipe 99
Figura 5.20 Tela do sistema representando a Barra dos Coqueiros 100
Figura 5.21 Tela do sistema representando uma turbina 100
Figura 5.22 Tela Fila de relatrios 101
Figura 5.23 Tela gerada pelo relatrio do ScadaBR 101
Figura 5.24 Tela Alarmes pendentes 102
Figura 5.25 Tela configuraes de e-mail 102
Figura 5.26 Tela para exportar ou importar um projeto 103
Figura 1A Menu iniciar no Windows 7 109
Figura 2A Janela executar com o comando dcomcnfg 110
Figura 3A Janela Servios de Componente 110
Figura 4A Aba Geral na janela Propriedades de Meu Computador 111
Figura 5A Aba Propriedades Padro 112
Figura 6A Aba Segurana COM na janela Propriedades de Meu Computador 113
Figura 7A Janela Selecionar Usurios ou Grupos 113
Figura 8A Janela Selecionar Usurios ou Grupos com opes de Avanado 114
Figura 9A Janela Permisso de Acesso 114
Figura 10A Janela Permisso de Incio e Ativao 115
Figura 11A Janela Servios de Componente com opo Config DCOM 116
Figura 12A Janela exibindo os servidores OPC da Matrikon 116
Figura 13A Aba Geral na Janela Propriedades de MatrikonOPC Server 117
Figura 14A Aba Local na Janela Propriedades de MatrikonOPC Server 118
Figura 15A Janela Firewall do Windows com Segurana Avanada 119
Figura 16AJanela Diretiva de Segurana Local 121
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LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1 Funes operacionais 65
Tabela 4.2 Resumo de aplicao das funes de gesto 65
Tabela 4.3 Categorias de informaes da usina de energia elica 70
Tabela 4.4 Tabela de estrutura geral de um n lgico (LN) 72
Tabela 4.5 Dados de atributos de classe em um n lgico 72
Tabela 4.6 Ns lgicos especficos do sistema 72
Tabela 4.7 Ns lgicos especficos de uma usina elica 72
Tabela 4.8 Ns lgicos especficos de uma turbina elica 73
Tabela 4.9 LN: Informaes gerais da turbina elica (WTUR) 73
Tabela 4.10 Tabela de servios 78
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ACSI Abstract Communication Service Interface
ASCII American Standard Code for Information Interchange
CASM Common Application Service Model
CDC Common Data Class
DA Data Attribute
DC Data Classes
DLC Distribution Line Carrier
DNP Distributed Network Protocol
EPRI Electric Power Research Institute
GOOSE Generic Object Oriented Substation Event
GOMSFE Generic Objects Models for Substation and Feeder Equipment
GPRS General Packet Radio Service
GUI Graphical User Interface
HTTP Hypertext Transfer Protocol
IEC International Electrotechnical Commission
IED Intelligent Electronic Device
IEM Information Exchange Model
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IM Information Model
IP Internet Protocol
ISO International Organization for Standardization
LAN Local Area Network
LCB Log Control Block
LD Logical Device
LN Logical Node
LPHD Logical node Physical Device Information
LTR Logic Trunked Radio
MMS Manufacturing Message Specification
OSI Open System Interconnection
RCB Report Control Block
RTU Remote Terminal Unit
SBO Select Before Operate
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
SCL Substation (system) Configuration Language
SCSM Specific Communication Service Mapping
SOAP Simple Object Access Protocol
TC Technical Committee
TCP Transmission Control Protocol
UCA Utility Communications Architecture
UDP User Datagram Protocol
VHF Very High Frequency
WAN Wide Area Network
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WPP Wind Power Plant
WT Wind Turbine
XML Extensible Markup Language
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SUMRIO
1 Introduo .......................................................................................................................... 18
1.1 Objetivo geral ................................................................................................................ 19
1.2 Objetivos especficos ..................................................................................................... 20
1.3 Metodologia ................................................................................................................... 20
1.4 Organizao da pesquisa ................................................................................................ 20
2 Automatizao de sistemas eltricos de potncia .............................................................. 22
2.1 Aceitao da automao ................................................................................................ 22
2.2 Hierarquia de controle ................................................................................................... 23
2.3 Sistema de automao e controle ................................................................................... 25
2.3.1 rvore de deciso para automao ................................................................................ 25
2.3.2 Estgios da automao ................................................................................................... 27
2.4 Central de controle e gesto ........................................................................................... 28
2.5 Operao do sistema eltrico de potncia ...................................................................... 28
2.6 Sistema de controle em tempo real (scada) ................................................................... 30
2.6.1 Aquisio de dados ........................................................................................................ 30
2.6.2 Monitoramento e processamento de eventos ................................................................. 31
2.6.3 Funo de controle ......................................................................................................... 33
2.6.4 Armazenamento de dados e anlise ............................................................................... 34
2.7 Configuraes de hardware ........................................................................................... 34
2.8 Servidores de interface homem mquina (IHM) ........................................................... 35
2.9 Servidores de banco de dados (SBD) ............................................................................ 36
2.10 Princpios do sistema scada ........................................................................................... 36
2.11 Estruturas de base de dados e interfaces ........................................................................ 36
2.12 Sistemas de comunicao de controle e automao ...................................................... 38
2.12.1 Comunicao e automao ......................................................................................... 39
2.12.2 Comunicao fsica .................................................................................................... 39
2.12.3 Protocolos de comunicao ........................................................................................ 40
2.12.3.1 Protocolo MODBUS .............................................................................................. 41
2.12.3.2 Protocolo DNP 3.0 .................................................................................................. 41
2.12.3.3 Protocolo IEC 60870-5-101 ................................................................................... 42
2.12.3.4 Protocolo UCA 2.0, IEC 61850 .............................................................................. 43
3 Sistemas de controle para gerao elica .......................................................................... 46
3.1 Sistema de medio de vento ......................................................................................... 48
3.1.1 Localidade da medio de vento .................................................................................... 48
3.1.2 Sensores de vento e processamento de dados ................................................................ 49
3.1.3 Yawcontrol ..................................................................................................................... 50
3.1.4 Potncia e controle de velocidade por meio de ps do rotor ......................................... 50
3.1.5 Activestall control .......................................................................................................... 52
3.1.6 Pitch control (ou controle de passo) .............................................................................. 52
3.2 Controle de superviso e estados operacionais .............................................................. 53
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3.3 Comportamento de uma turbina elica .......................................................................... 55
3.4 Controle de perturbao ................................................................................................. 60
4 O padro IEC 61400 para gerao de energia elica ........................................................ 61
4.1 IEC 61400-25-1: Descrio geral dos princpios e modelos ......................................... 62
4.2 IEC 61400-25-2: Modelo de informao ....................................................................... 65
4.3 IEC 61400-25-3: Modelo de troca de informao ......................................................... 74
4.4 IEC 61400-25-4: Mapeamento para protocolos de comunicao .................................. 80
5 Implementao do supervisrio com softwareScadaBR ................................................... 84
5.1 ScadaBR ......................................................................................................................... 85
5.2 Selecionando os ns lgicos .......................................................................................... 85
5.3 Introduo ao opc ........................................................................................................... 86
5.3.1 Servidores opc ................................................................................................................ 87
5.3.2 Clientes opc .................................................................................................................... 87
5.4 Adicionando as tags (ns lgicos) ao servidor matrikon ............................................... 88
5.5 Implementao do sistema supervisrio atravs do ScadaBR ....................................... 92
6 Concluses e recomendaes .......................................................................................... 104
7 Referncias ...................................................................................................................... 106
APNDICE A - Configurao da dcom ................................................................................. 109
APNDICE B - Erros encontrados durante a implementao do sistema supervisrio ......... 122
ANEXO A - Lista de abreviaturas das classes de dados dos ns lgicos ............................... 124
ANEXO B - Component object model / Distributed component object model ...................... 126
ANEXO C - Termos relacionados com automao de subestaes eltricas ......................... 128
ANEXO D - Resumo do protocolo padro OSI/ISO .............................................................. 129
ANEXO E - Recomendaes de sites sobre scadabr e softwares similares ........................... 131
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Captulo 1
1 Introduo
Desde os primrdios da existncia da humanidade a comunicao uma de suas
maiores necessidades. A comunicao longa distncia se tornava cada vez mais
importante e um desafio para a sociedade humana. As formas mais primitivas de
comunicao eram atravs de sinais de fumaa e pombos-correios, que foram os meios
encontrados para aproximar comunidades distantes. Uma grande revoluo para
comunicao se deu em 1838 com a inveno do telgrafo, desenvolvido por Samuel F.
B. Morse, e a transmisso de pulsos eltricos, denominado de cdigo Morse. Aps esta
inveno surgiram outras como o telefone, rdio, televiso, TV a cabo, Internet entre
outras. Neste contexto, novas tecnologias so exigidas no ambiente industrial e agora
com a crescente demanda no setor de automao, no qual mudanas conceituais e de
projeto so cada vez mais frequente.
Existe um consenso cada vez maior entre fornecedores e usurios de
equipamentos de sistemas industriais acerca da necessidade de produtos com sistema
proprietrio, independente de fabricantes, que tenham alto desempenho, comprovados
mecanismos de segurana e que sejam tecnologicamente modernos e robustos. Estes
produtos precisam: atender s novas exigncias de controle, distribuio e
armazenamento de informaes; ter maior interoperabilidade entre plataformas de
diferentes fabricantes e apresentarem maior facilidade em manuteno. Tais tecnologias
comearam de modo bastante simples, no qual a comunicao utilizava o padro serial
ou paralelo, mas com o passar do tempo foram desenvolvidos sistemas mais complexos,
com tecnologias prprias, protocolos, software e hardware apropriados para suas
necessidades.
A crescente tendncia na rea de automao industrial do uso de arquiteturas
computacionais distribudas, nas quais diferentes dispositivos podem se comunicar com
outros e, de uma maneira cooperativa, realizar tarefas que levem ao atendimento dos
requisitos impostos, pelas aplicaes, aumentou consideravelmente o interesse por
dispositivos e protocolos de comunicao. Por protocolo de comunicao entende-se o
conjunto de regras e convenes que permitem a conversao e troca de informao
entre sistemas. Isto significa que, conhecendo-se exatamente as regras e convenes
definidas num dado protocolo, a princpio, pode-se construir um dispositivo capaz de
trocar informaes usando aquele protocolo.
Diversos fornecedores possuem solues de redes de campo proprietrias,
fazendo com que o cliente fique dependente de produtos, servios e manuteno de um
nico fabricante. Com o objetivo principal da interoperabilidade e flexibilidade de
operao, grupos de desenvolvedores definem normas de padro aberto para o
desenvolvimento de redes e protocolos. Os desenvolvedores tm a flexibilidade de
desenvolver linhas de produtos em funo da demanda, e o cliente no fica totalmente
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preso a apenas um fornecedor. Atualmente, diversos protocolos de padro aberto de
vrios fabricantes esto disponveis no mercado. Definir uma soluo de arquitetura
industrial para estabelecer comunicao em uma empresa uma deciso importante. Os
profissionais devem desenvolver e manter a integridade e a funcionalidade das redes
industriais, aperfeioar o desempenho e torn-las mais confiveis, escalveis e seguras.
A finalidade da padronizao e normatizao definir as plataformas em que
uma indstria possa operar de forma eficiente e segura. Os maiores fabricantes de
usinas de gerao elica oferecem sistemas proprietrios, o que resulta numa
diversidade de protocolos de sistemas numa mesma planta elica. Na luta pela
padronizao de protocolos, existem muitas organizaes envolvidas nos projetos de
tecnologias. A mais conhecida na rea de energia elica a IEC (International
Electrotechnical Commission).
A norma IEC 61400-25 elaborada pela IEC Technical Committee TC 88 uma
extenso da norma IEC 61850 na rea de gerao de energia elica, especificamente
para o sistema de monitoramento e comunicao, visa realizao da livre comunicao
entre diferentes fornecedores de equipamentos. A faixa de aplicao da norma abrange
parte da operao da usina elica, incluindo turbina de vento, sistema de medio
meteorolgica, sistema eltrico e sistema de gesto, mas no inclui a linha relevante de
alimentao e informao da subestao.
A implementao desta norma permite que os sistemas SCADA (Supervisory
Control And Data Acquisition Sistemas de Superviso e Aquisio de Dados) se
comuniquem com as unidades de aquisio de dados de turbinas elicas de vrios
fabricantes. Normalizaes de aplicaes SCADA so excludas da norma IEC 61400-
25, mas inclui informaes padro-comum de turbinas elicas para reutilizao de
aplicaes e telas de operao das turbinas elicas de diferentes fornecedores. A norma
IEC 61400-25 pode ser aplicada a qualquer parque elico, ou seja, tanto em turbinas
individuais, como num grupo de turbinas elicas. A inteno da norma permitir que os
componentes de diferentes fabricantes operem em conjunto com outros componentes,
em qualquer local, proporcionando homogeneidade na rede ou no sistema. Esta norma
suporta escalabilidade, conectividade e interoperabilidade. A comunicao interna
dentro de cada componente est alm do alcance desta norma.
Como a indstria elica tem experimentado um crescimento extensivo em todo
mundo durante os ltimos anos, torna-se fundamental o estudo especfico das normas.
Esta pesquisa procura desenvolver um sistema de superviso usando software livre
para o controle e automao de parques elicos.
1.1 Objetivo geral
Desenvolver um sistema de superviso com comunicao e controle
implementado em software de superviso livre ScadaBR para ser utilizado em parques
elicos instalados no Brasil a partir das consideraes e recomendaes da norma IEC
61400-25.
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1.2 Objetivos especficos
Analisar as recomendaes da norma IEC 61400-25 para os sistemas
supervisrios aplicados a parques elicos;
Identificar critrios da norma IEC 61400-25 a serem utilizadas em parques
elicos no Brasil;
Utilizar os preceitos da norma IEC 61400-25 na construo de algoritmos
computacionais dentro do software de superviso livre ScadaBR.
Implementar supervisrio para gerao elica no Brasil utilizando software
livre.
1.3 Metodologia
O estudo do tema apresentado ser feito atravs de uma pesquisa com
levantamento bibliogrfico atravs de leituras e fichamento de fontes diretas de autores
que tenham materiais acerca do tema, ter uma abordagem qualitativa, tendo em vista os
objetivos a serem alcanados no decorrer da pesquisa.
Os critrios metodolgicos para execuo da pesquisa, em um primeiro
momento, consistiro em descrever as recomendaes e diretrizes da norma IEC 61400-
25 a luz dos conceitos contemporneos da engenharia de automao e controle
especficos para parques elicos.
Para o desenvolvimento da interface homem mquina e toda implementao da
comunicao e controle para gerao elica utiliza-se o software open-source ScadaBR
que trabalha com interoperabilidade de acordo com a norma IEC 61850/61400
permitindo melhor performance e mais opes de segurana.
1.4 Organizao da pesquisa
Esta dissertao de mestrado foi elaborada na forma de seis captulos,
articulados entre si, dispostos da seguinte maneira:
Captulo 1: Introduo Trata de uma introduo sobre o tema do trabalho que ser
abordado nesta dissertao, assim como a motivao, objetivo geral e especficos,
metodologia e, por fim, descreve a estrutura deste relato.
Captulo 2: Automatizao de Sistema Eltrico de Potncia Neste captulo so
apresentados os conceitos extrados de bibliografias, que descrevem a automao do
sistema eltrico de potncia.
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21
Captulo 3: Sistema de controle para gerao elica Apresenta-se uma viso atual da
automao e controle de usina de energia elica de forma a contextualizar o leitor a
respeito do tema.
Captulo 4: O padro IEC 61400 na energia elica Aqui aborda-se a norma que trata
de energia elica a IEC 61400, especificamente a parte 25, cujo escopo a
comunicaes de dados e monitoramento de centrais de energia elica.
Captulo 5: Implementao do supervisrio com software ScadaBR Neste captulo so
apresentados os principais pontos do software livre ScadaBR, implementao do
supervisrio para um parque elico no Brasil e tambm descreve-se a metodologia
utilizada para que os objetivos possam ser alcanados.
Captulo 6: Concluses e Recomendaes Apresenta-se as consideraes finais acerca
dos resultados encontrados pela pesquisa proposta, a descrio dos objetivos atingidos
assim como os intervenientes que dificultaram as solues procuradas. Este captulo
finalizado com recomendaes para novas pesquisas a serem abordadas neste campo do
saber.
-
22
Captulo 2
2 Automatizao de sistemas eltricos de
potncia
As empresas de energia eltrica tm se esforado para gerir seus negcios como
empresas eficientes de fornecimento de energia a um nvel aceitvel de qualidade. O
surgimento dadesregulamentao1 mudou drasticamente o ambiente de negcios. Essa
mudana radical nos objetivos de negcios ocupa agora as empresas de energia, em
muitos pases, resultado da desregulamentao, do acesso aberto e da privatizao,
fatores que causam uma reviso significativa de projeto de rede e das prticas
operacionais. As empresas de distribuio tambm esto sendo obrigados a maximizar o
uso e a vida de seus ativos atravs de um melhor monitoramento e anlise.
O controle de rede e automao iro desempenhar um papel fundamental para
permitir que as empresas se adaptem evoluo da situao e as oportunidades para
alcanar seus objetivos de negcios, garantindo um retorno adequado para os acionistas.
2.1 Aceitao da automao
A avaliao do grau de utilizao da automao da indstria difcil, no s
devido s diferentes interpretaes, mas tambm devido s estratgias de implantao.
Algumas empresas so foradas pelo rgo regulatrio2, para ter imediata ao de
melhorar todo o sistema da rede ou fornecer servios mais significativos aos seus
clientes, enquanto outras empresas so capazes de justificar o melhoramento gradual da
automao em seus sistemas.
Uma pesquisa com mais de 500 concessionrias nos Estados Unidos revelou que
apenas 14% tinham implementado automao e um adicional de 12% tiveram em
prtica uma estratgia. O contexto da automao neste perodo foi a implantao da
distribuio SCADA at a subestao de distribuio usando RTU (Remote Terminal
Unit ou Unidade Terminal Remota). A adio de controle estendido fora da subestao
estava sendo considerada por 70% dessas distribuies de aplicao SCADA.
------------------ 1 Remoo dos entraves burocrticos (leis, decretos, portarias, atos normativos) que
interferem de maneira exagerada nas relaes de direito e obrigaes entre Estado e
Cidado. 2A Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) uma autarquia sob
regime especial (Agncia Reguladora), vinculada ao Ministrio de Minas e Energia,
com sede e foro no Distrito Federal, com a finalidade de regular e fiscalizar a produo,
transmisso e comercializao de energia eltrica, em conformidade com as Polticas e
Diretrizes do Governo Federal.
-
23
Pesquisas demonstram que uma dcada mais tarde, tanto nos Estados Unidos
quanto fora deste pas (predominantemente Canad, Reino Unido e Austrlia), para
automao de subestaes, mostraram um claro aumento da aplicao de automao
usando um barramento de comunicao dentro da subestao.
2.2 Hierarquia de controle
A automao de rede aplicada dentro de uma hierarquia de controle estruturada
que engloba a necessidade das diferentes camadas de entrega da rede. Isso requer a
habilidade de controlar uma rede a partir de um ponto, o centro de controle ou um
nmero de centros de controle com controles distribudos. Este processo chamado de
SCADA ou telecomando, e depende de links de comunicao do centro de controle para
o dispositivo primrio (gerador, disjuntor, comutador, etc.) ser operado. Os dispositivos
primrios devem ser equipados com atuadores ou mecanismos para realizar a abertura
mecnica e a operao de fechamento. Estes atuadores devem ser ligados a um
dispositivo secundrio IED (Intelligent Electronic Device ou Dispositivo Eletrnico
Inteligente).
O IED liga o atuador com o sistema de comunicao. O tamanho relativo e a
sofisticao do IED dependem da configurao do sistema de controle e da sua camada
na hierarquia. A combinao do sistema de sala de controle, comunicao e IED
compreendem um sistema SCADA. Os sistemas SCADA so implantados para
controlar as diferentes camadas da rede, ou como um sistema integrado por um nmero
de camadas, ou, ainda, como sistemas separados passar informaes selecionadas para a
camada de controle acima. A seleo vigente de como o controle central organizado
depende da propriedade das camadas de rede. Proprietrios de redes de distribuio
simples, com tenso inferior a 33 kV, tendem a usar um sistema SCADA para controlar
toda a rede. Mesmo os utilitrios com extensas redes que cobrem uma grande rea
geogrfica esto consolidando o controle dos centros de controle distribudo para uma
operao central.
Uma hierarquia tpica de controle da rede est representada na Figura 2.1 e
constituda por cinco camadas.
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24
Figura 2.1 Hierarquia tpica de um controle de potncia
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 10)
Camada 1 Utilidade:
O nvel superior da hierarquia cobre toda a empresa, o gerenciamento de ativos e
os sistemas de negociao de energia.
Camada 2 Rede:
Historicamente, esta camada tem controlado as redes de transmisso de energia
em massa, incluindo o despacho econmico dos geradores.
Camada 3 Subestao:
O controle integrado de todos os disjuntores dentro da subestao com a
comunicao de toda proteo do estado do rel.
Camada 4 Distribuio:
Esta camada da hierarquia de controle abrange os sistemas de alimentao de
mdia tenso, reflete a expanso da capacidade de controle em tempo real por meio de
um controle remoto e uma automao local dos dispositivos de alimentao localizados
abaixo das subestaes primrias.
Camada 5 Consumidor:
A camada mais baixa de controle onde o sistema de entrega interage
diretamente com o consumidor. Ela representa uma atividade em crescimento, na qual
so necessrios sistemas de medio mais flexveis para permitir a reviso conveniente
de tarifas e de controle de carga.
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25
2.3 Sistema de automao e controle
Na prtica, dentro do conceito de automao, h dois termos especficos, que so
vulgarmente utilizados na indstria: Sistema de gesto e Sistema de automao.
Sistema de gesto: O sistema de gesto tem uma sede na sala de controle, onde
abastece o operador com a melhor, "manejvel", vista da rede. Ele coordena todas as
funes da jusante em tempo real, dentro da rede de distribuio com as informaes
em tempo no real (dispositivos operados manualmente) necessrias para controlar e
gerenciar corretamente a rede em uma base regular. A chave para um sistema de gesto
a organizao do banco de dados do modelo de rede de distribuio, o acesso a toda
infraestrutura de apoio TI e aplicaes necessrias para preencher o modelo e sustentar
as outras tarefas operacionais dirias. A IHM comum e do processo de estrutura de
comando otimizado vital no fornecimento de operadores com uma facilidade que
permite o desempenho intuitivo e eficiente das suas funes.
Sistema de automao: Sistema de automao de distribuio se encaixa
abaixo do sistema de gesto e inclui todos os dispositivos de controle remoto na
subestao e nveis de alimentadores (por exemplo, disjuntores, religadores, auto
seccionadoras), a automao de locais distribudos nesses dispositivos e a infraestrutura
de comunicaes. um subsistema do sistema de gesto essencial por cobrir todos os
aspectos em tempo real no processo de controle da rede jusante.
Para aplicar a automao e o controle existem trs maneiras diferentes de olhar
para automao:
Automao local: a operao da chave de proteo do interruptor ou a lgica
baseada em tomada de deciso.
SCADA (telecomando): controlar com monitoramento remoto de status,
indicaes, alarmes e medies.
Automao centralizada: controle automtico para fazer isolamento de
falhas, reconfigurao da rede e restaurao de servio.
2.3.1 rvore de deciso para automao
A seleo das maneiras de automatizar um dispositivo pode ser ilustrada atravs
da rvore de deciso na figura 2.2. Uma vez que o dispositivo primrio foi selecionado
com base em seu fornecimento de energia necessria e o dever de proteo na rede, o
grau de automatizao pode ser determinado. A implementao da automao em
qualquer interruptor manual pode ser descrito como certo nmero de passos e caminhos
alternativos que conduzem ao grau e tipo de arquitetura de controle. Alguns caminhos
so opcionais, mas muitos so obrigatrios se a automao deseja ser implementada.
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26
Figura 2.2 - rvore com os passos lgicos para a implementao da automao
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 15)
Etapa 1:
Os interruptores sempre foram operados manualmente, mas dispositivos
armazenadores de energia ou atuadores foram adicionados para assegurar que o
funcionamento do interruptor seja independente do esforo manual. A segurana
aumentada porque o operador tende a ficar mais longe do interruptor.
Etapa 2:
Apesar da instalao de um atuador, o objetivo principal o de facilitar a
operao automtica no local ou atravs de controle remoto, e no simplesmente usar
botes.
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27
Etapa 3:
Uma vez que o controle eletrnico foi instalado no atuador, uma das funes
principais da automao conectar um sistema de comunicao para permitir control-
lo remotamente.
Etapa 4:
Basicamente, o controle remoto adicionado automao local, de modo que o
operador vai ser informado de qualquer operao do dispositivo e pode tanto suprimir
esta ao local quanto tomar a deciso remotamente.
Etapa 5:
O passo final aplica-se as mesmas opes do passo 4.
Os resultados desta rvore de deciso em termos de cumprimento a definio
bsica de automao so os seguintes:
A rede deve ter capacidade de operao por controle remoto;
A tomada de deciso implementada, seja localizada no centro de um
servidor, em combinao com a tomada de deciso local e central, ou atravs
da interveno humana remotamente;
A operao local deve ser possvel mecanicamente ou por boto.
2.3.2 Estgios da automao
A seleo do nvel de automatizao, ilustrada atravs da rvore de deciso na
seo anterior, pode ser visto a partir de uma perspectiva diferente, quanto mais
sofisticado a automao e controle, maior o peso e complexidade do servio de
mensagens. Observe-se agora os estgios da automao na figura 2.3.
Na etapa 1 designado para atender os requisitos bsicos da automao,
fornecer o status remoto e funes de controle. Informaes binrias, tais como alarmes,
fechamento de contato, valores acima ou abaixo de um limiar podem ser comunicadas
digitalmente. Comunicao de valores digitais diminui significativamente a
complexidade e o comprimento do pacote de dados. Para atender as necessidades do
controle e consumir baixa potncia, foram introduzidos os sistemas de rdio.
Na prxima etapa adiciona-se a transmisso das medies analgicas para o
status do controle de comando. medida que a carga da comunicao vai aumentando,
a capacidade de protocolos usados por sistemas SCADA necessria. O grau de tomada
de deciso central depender no apenas da quantidade e detalhe das informaes
passadas para o servidor, mas tambm a velocidade da transmisso dos dados.
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28
Figura 2.3 Estgios da automao e controle
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 16)
2.4 Central de controle e gesto
O centro nervoso de qualquer rede de energia a central de controle e gesto, na
qual a coordenao de todas as estratgias de operao levada a cabo. Mesmo se a
operao e o controle distribudo sejam implementados, os resultados de tal ao devem
ser comunicadas ao coordenador central.
As redes de energia eltrica em todo o mundo esto entrando em um perodo de
mudana que necessita melhorar os mtodos de controle e gesto.
2.5 Operao do sistema eltrico de potncia
A operao do sistema de energia requer manter o equilbrio entre a segurana,
economia e qualidade ao entregar energia eltrica a partir da fonte geradora para
satisfazer as exigncias do usurio final. Historicamente, os sistemas de controle foram
implementados em sistema de energia em massa no qual foi econmico monitorar todos
os pontos de entrada e sada da rede. Os sistemas de tempo real que oferecem a
facilidade de controle de superviso e aquisio de dados so conhecidos como sistemas
SCADA. Os avanos na computao e modelagem do sistema de energia criaram
aplicaes rpidas para serem alimentadas com os dados em tempo real com a funo
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29
de fornecer informaes adicionais e tomada de deciso para os operadores. A evoluo
natural dessas aplicaes permitiu aumento dos nveis de automao no processo de
deciso.
Os quatro estados de uma operao so mostrados na figura 2.4.
Figura 2.4 Modos do estado de operao do sistema eltrico
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 29)
O estado de emergncia reflete o colapso do sistema de energia como uma
consequncia de grande perda de gerao ou linha de transmisso. J o estado de alerta
significa que uma perturbao ocorreu e a ao deve ser levada diretamente para aliviar
a situao. Por exemplo, em sistemas de abastecimento a granel, o estado de alerta pode
se mover muito rapidamente para o estado de emergncia, que o torna impossvel para
um operador evitar o colapso do sistema. O objetivo da operao do sistema manter o
sistema no interior do estado normal e devolver o processo de restaurao o mais
rapidamente possvel. O operador, usando todas as facilidades do centro de controle, o
principal tomador de decises na restaurao do sistema.
Atualmente, o modo em que as redes so operadas influenciado pela falta de
controle remoto e monitoramento em tempo real, exigindo considervel interveno
manual para a tomada de deciso e restaurao. A extenso e a multido de elementos
que compreendem uma rede impe a necessidade de manipulao de informao
considervel para assegurar um funcionamento satisfatrio e a segurana das pessoas.
No ambiente da operao existem trs condies para os operadores do controle,
tais como:
Condies normais
Durante as condies normais do sistema, o operador capaz de preparar a
mudana dos planos para a manuteno planejada, monitorar o sistema e efetuar as
devidas configuraes para ter um funcionamento dentro dos limites. As informaes
gerais da manuteno, como o diagrama da rede e as estatsticas da gesto, so
completadas com o tempo.
Situaes de emergncia
Falhas na rede no so planejadas e o operador deve estar preparado para este
estado. O objetivo principal consiste em organizar a restaurao da rede o mais
rapidamente possvel.
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Administrao
As tarefas dirias de eventos de registro, relatrios de gesto e estatstica de
desempenho so demorados. Privatizao e presses externas exigem auditoria para um
melhor desempenho do sistema.
2.6 Sistema de controle em tempo real (SCADA)
A base de qualquer controle em tempo real o sistema SCADA, que adquire
dados a partir de diferentes fontes, pr-processa e armazena em um banco de dados
acessvel a diferentes usurios e aplicaes. Os modernos sistemas SCADA so
configurados em torno das seguintes funes: (7)
Aquisio de dados;
Monitoramento e processamento de eventos;
Controle;
Armazenamento de dados e anlise;
Aplicao especfica de apoio deciso;
Relatrios.
2.6.1 Aquisio de dados
Informaes bsicas descrevendo o estado de funcionamento da rede de energia
so passadas para o sistema SCADA. Este recolhido automaticamente pelo
equipamento em vrias subestaes e dispositivos, inserido manualmente pelo operador
ou utilizado pelas equipes de campo. Em todos os casos, a informao tratada da
mesma forma. Esta informao categorizada como:
Indicaes de status;
Valores medidos;
Valores de energia.
Os status dos dispositivos de comutao e sinais de alarme so representados por
estado de indicaes. Estas indicaes so fechamento de contato conectado entrada
digital no dispositivo de comunicao e so indicaes normalmente simples ou duplas.
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31
Figura 2.5 Exemplos dos tipos de dados adquiridos
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 40)
Alarmes simples so representados por indicao nica, enquanto todos os
interruptores e dispositivos de dois estados tm indicao dupla. Os valores medidos
refletem as diferentes variveis em relao ao tempo, tais como a tenso, temperatura,
corrente e as posies do comutador. Eles se dividem em dois tipos bsicos, analgico e
digital. Todos os sinais analgicos so transformados por meio de um conversor A/D de
formato binrio, porque so tratados como valores momentneos, portanto precisam ser
normalizado antes de serem armazenados no banco de dados do sistema SCADA. A
varredura dos valores medidos feita ciclicamente ou enviando somente os valores
alterados. Valores de energia so geralmente obtidos a partir de contadores de pulso ou
IEDs.
2.6.2 Monitoramento e processamento de eventos
A coleta e armazenamento de dados por si s produzem poucas informaes,
assim, uma importante funo estabelecida dentro de todos os sistemas SCADA a
capacidade de monitorar todos os dados apresentados em relao aos valores normais e
limites. O objetivo do controle de dados varia para os diferentes tipos de dados
coletados e as exigncias dos dados individuais no sistema. Particularmente, se uma
mudana de estado ou indicao veio a ser maior ou menor que o limite, ir requerer um
evento para ser processado. O monitoramento do estado requer que cada indicao seja
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32
comparada com o valor anterior armazenado no banco de dados. Qualquer mudana
gera um evento que notifica o operador. Para expandir o contedo da informao, as
indicaes de status so atribudas a uma condio normal, desencadeando assim um
alarme diferente com uma mensagem para avisar a condio normal.
O monitoramento para o valor limite aplica-se a cada valor medido. Quando
ocorrem mudanas de status, um valor de evento gerado, mas para que isso acontea,
a mudana deve exceder um valor limite.
Figura 2.6 Diagrama tpico do limite de uma quantidade controlada
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 42)
O monitoramento de tendncias outro mtodo presente em sistemas SCADA.
usado para disparar um alarme se alguma quantidade ir mudar, ou seja, muito
rapidamente ou na direo errada para um funcionamento satisfatrio do dispositivo. A
necessidade de fornecer continuamente informaes ao operador dos dados recolhidos
resultou a ideia de aplicar atributos de qualidade de dados, os quais, por sua vez,
invocam um mtodo de sinalizao, sejam os dados de uma determinada cor ou smbolo
no console do operador. A seguir, so atributos tpicos desse sistema:
No atualizado / atualizados aquisio de dados / manual / calculado;
Manual de instrues;
Calculado;
Bloqueado para atualizao;
Bloqueado para processamento de eventos;
Bloqueado para controle remoto;
Normal / estado no normal;
Fora do limite, razovel / alarme / alerta / zero;
Estado do alarme;
No reconhecido.
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33
O processamento de eventos necessrio para todos os eventos gerados pela
funo de monitoramento ou causados por aes do operador. Este processamento
classifica os eventos, de modo que as informaes apropriadas sejam enviadas tela
IHM para representar a criticidade do alarme ao operador. O controle de eventos uma
funo crucial dentro do sistema de controle e influencia significativamente o
desempenho em tempo real, particularmente durante vrios alarmes. O resultado do
processamento de eventos a lista de alarmes em ordem cronolgica. A fim de auxiliar
o operador, os eventos so classificados em uma srie de categorias a fim de gerar uma
lista de alarmes.
As seguintes categorias mais usuais so:
Categoria alarme persistente no reconhecido: Alertar no visor tais como
piscar com uma cor, e em alguns casos, um sinal audvel gerado. O alarme
no reconhecido permanece at que o reconhecimento do operador seja feito.
O alarme persiste at que o estado desaparea (geralmente atravs da ao do
operador), ou seja inibido;
Um evento associado a um determinado tipo de dispositivo, tais como uma
tenso de barramento ou proteo do rel de operao;
Motivo da ocorrncia do evento por meio da sesso ao acompanhamento da
funo;
A prioridade atribuda para a classificao de todos os eventos.
O propsito dessas classificaes a de filtrar os eventos mais importantes
dentre as ocorrncias para que o operador possa resolv-las em primeiro lugar.
2.6.3 Funo de controle
Funes de controle so iniciadas pelos operadores, ou automaticamente, a partir
de aplicaes de software e afetam diretamente o funcionamento do sistema de energia.
Eles podem ser agrupados em quatro subclasses:
Dispositivo de controle individual: representa o comando abrir / fechar direto
a um dispositivo individual;
Controlar mensagens para equipamentos que requer operao, uma vez
iniciada na sala de controle, para ser conduzida automaticamente pela lgica
local no dispositivo a fim de garantir a operao, permanece dentro dos
limites pr-determinados;
Controle sequencial: conjunto articulado de aes de controle uma vez que o
comando de partida sequencial foi iniciado. Um conjunto de passos
sequenciais de comutao para restaurar a energia atravs de uma
configurao pr-definida;
Controle automtico: acionado por um evento ou momento especfico que
chama a ao de controle.
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34
As trs primeiras categorias de controle acima so iniciadas manualmente,
exceto quando o controle sequencial iniciado automaticamente. Aes de controle
iniciadas manualmente podem ser sempre uma seleo do tipo confirmado antes de
operar ou dar o comando imediato.
2.6.4 Armazenamento de dados e anlise
Os dados recolhidos a partir do processo so armazenados no banco de dados em
tempo real no servidor de aplicativos SCADA para criar uma atualizao do processo
supervisionado. Os dados da RTUs so armazenados no momento da coleta e qualquer
atualizao de dados substitui os valores antigos pelos novos. Estatsticas de
desempenho capturadas pelos sistemas SCADA so extremamente importantes na
qualidade de energia como um todo. Normalmente, somente os dados alterados so
armazenados para economizar espao em disco. Os dados podem ser extrados em uma
data posterior para muitas formas de anlise, tais como planejamento, clculos
numricos, carga do sistema, auditorias de desempenho e relatrios de produo.
2.7 Configuraes de hardware
Os sistemas SCADA so implementados em hardware composto por uma
extremidade frontal com mltiplas comunicaes que gerem o processo de aquisio de
dados a partir de RTUs. Os dados recebidos so ento passadas para o servidor
SCADA, atravs de uma rede local, para o armazenamento e acesso pelos operadores e
outras aplicaes.
O sistema SCADA termina suportando uma variedade de configuraes de rede.
O mais popular em uso hoje em dia so:
Multiponto uma configurao radial, na qual as RTUs so sondadas em
sequncia atravs de um canal de comunicaes. Isso resulta em uma soluo
barata custa do tempo de resposta;
Ponto-a-ponto dedica um canal de comunicao para uma RTU. comumente
usados quando apresenta alta resposta com muitos canais de comunicao;
Configurao em estrela uma combinao de ponto-a-ponto que controla o
acesso aos dados da RTUs escravos configurados como ponto-a-ponto ou
multiponto.
O sistema central compreende acima de tudo frente das comunicaes e
chamado de estao mestre. Na indstria, existem muitos protocolos e suas variantes
em uso, entre a estao mestre e as RTUs. A configurao geral de um sistema SCADA
tpica mostrada na figura 2.7.
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Figura 2.7 Configurao tpica de um sistema SCADA.
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 46)
2.8 Servidores de interface homem mquina (IHM)
So mquinas equipadas com um ou mais monitores de vdeo colorido de alta
resoluo, impressora grfica b/p ou cor, com perifricos para manipulao de
informaes ou console de operao (trackball, mouse, etc.), processando um software
SCADA que proporciona ao operador todas as facilidades necessrias ao comando e
superviso do processo, possibilitando a execuo correta das funes de superviso,
controle, comando-remoto, etc. A rede de comunicao permite a incluso de vrios
consoles de operao sem grande transtorno, no havendo nenhuma restrio quanto
quantidade e a configurao dos mesmos. A quantidade e a localizao dos consoles so
estabelecidas pelas necessidades de aplicao, dependendo do meio fsico da rede,
existe ainda a possibilidade de se instalar consoles-remotos a uma distncia
relativamente grande, sem perda do desempenho.
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36
2.9 Servidores de banco de dados (SBD)
So utilizados para armazenar a base de dados de tempo real e histrica, alm de
arquivos de sequncia de eventos, valores de ajuste de rels de proteo, dados
cadastrais de equipamentos, etc. Para tanto so usadas mquinas velozes de alta
capacidade de armazenamento, geralmente, empregadas em configurao dual por se
tratar de uma funo crtica para a operao do sistema. Sistemas de controle fazem uso
de diversos tipos de informaes, cada uma delas com requisitos prprios de
desempenho e estrutura de dados.
2.10 Princpios do sistema SCADA
preciso entender que o desempenho tem sido uma grande preocupao do
sistema SCADA, devido limitao do histrico de velocidades de comunicao. A
velocidade lenta afeta a funo de aquisio de dados, que formam a base de arquitetura
de todos os sistemas SCADA. O ciclo de aquisio de dados recolhe dados to rpidos
quanto comunicao do processo em tempo real. A apresentao do estado do
processo para os operadores feita a partir deste banco de dados. Uma particularidade
das baixas taxas de transmisso e demandas de alta segurana que os protocolos da
RTU foram projetados com caractersticas muito especiais. O mesmo projeto bsico que
formou o SCADA desde o incio vlido hoje, mesmo se as larguras de banda forem
muito superiores com modernos PLCs (Programmable Logic Controller ou
Controladores Lgicos Programveis) e com a utilizao de fibra ptica. A nica
diferena hoje que a imagem espelhada do processo muito mais perto (no tempo)
para o processo real.
2.11 Estruturas de base de dados e interfaces
Uma das questes desafiadoras dentro de um sistema de gesto a resoluo de
dados de diferentes estruturas que existem entre as vrias aplicaes, tanto interna,
dentro do SCADA, quanto aplicaes avanadas e funo de interrupo. Existem
vrios modelos de dados para representar a rede eltrica com diferentes graus
desenvolvidos na indstria.
Tradicionalmente, os sistemas SCADA aplicados aos sistemas de potncia
podem empregar uma estrutura hierrquica do sistema de energia composto por
subestao, estao, baa e terminal.
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Figura 2.8 Elementos de um sistema SCADA aplicado ao sistema de potncia
Fonte: Silva (2002, p. 25)
A base de dados em tempo real do sistema SCADA descrita em termos de
pontos e dados de aquisio dados, cada ponto deve ser definido em entrada em uma
estrutura muito plana. Esta estrutura plana sem relaes inerentes construda
possuindo um modelo de processo. O conceito de modelo de dados em um sistema
SCADA mostrado de forma simplificada na figura 2.9.
Figura 2.9 Estrutura do modelo simplificado do SCADA em tempo real
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 89)
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38
Diferentes nveis de interface foram estabelecidas dentro da indstria, muitas
vezes ditadas por uma implementao, em particular para a base de dados, onde tem
sido preenchido para aplicao de gesto de ativos e, s vezes, s se expandiu para
incluir em aplicaes de engenharia. O nvel de interface possvel ditado pela
aplicao exata dos vrios sistemas, devido a disponibilidade de dados no modelo de
dados implementado. No momento, sem padres e diretrizes dentro da indstria, cada
interface SCADA tem que ser personalizada usando meio comuns de TI, ou seja,
mecanismos de transporte de dados (CSF, ASCII, XML).
2.12 Sistemas de comunicao de controle e automao
O link de comunicao um componente vital da automao, a maioria das
implementaes de grande escala requerem comunicaes para iniciar ou denunciar
uma ao de um centro de controle. Os sistemas de comunicao tm sido usados h
dcadas pela indstria de energia eltrica em uma ampla variedade de aplicaes. Em
termos mais simples, um sistema de comunicao proporciona o elo entre a extremidade
de envio (transmissor) e o receptor. Muitos so os meios utilizados para transmitir os
sinais que vo de circuitos de cobre, rdio, micro-ondas, fibras ticas e at mesmo por
satlite. Uma pesquisa feita nos Estados Unidos em meados da dcada de 90 identificou
os meios de comunicao aplicados nos projetos de energia eltrica.
Figura 2.10 Sistema de comunicao primrio em uso para automao
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 290)
As tendncias deste levantamento inicial continuaram, como foi confirmado por
uma nova pesquisa realizada cinco anos depois. Isso mostrou o rdio de dois canais
como a forma mais utilizada de comunicao, mas com novos tipos de recursos da
comunicao como a fibra tica, satlite e celular.
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39
Figura 2.11 Tipos de comunicao atualmente em uso para automao
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 291)
2.12.1 Comunicao e automao
Os componentes de um sistema de comunicao so mais frequentemente
referenciados em termos da norma ISO a modelo OSI (Open System Interconnection ou
Interconexo de Sistemas Abertos) de sete camadas do modelo de referncia. As
camadas so camada de aplicao, apresentao, sesso, transporte, de rede, dados e
fsicos. Todas estas camadas podem ou no ser aplicveis em todos os sistemas. A
camada fsica fornece o meio de comunicao entre o equipamento de transmisso e
recepo. a forma fsica, tal como fios de cobre, fibra tica, ou sem fio que so muitas
vezes utilizados. Em um caso simples, um cabo RS-232 pode ser ligado de um
dispositivo para outro.
O protocolo de comunicao especifica o endereo do dispositivo da mensagem
a ser enviado, o endereo do dispositivo que enviou a mensagem, a informao sobre o
tipo de dados na mensagem e os dados propriamente ditos, bem como a deteco de
erros ou de outras informaes. Alguns protocolos se tornaram padres na indstria,
mas a maioria particular.
2.12.2 Comunicao fsica
A figura 2.12 mostra as diferentes tecnologias de comunicao que podem ser
utilizadas para aplicaes de automao.
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Figura 2.12 Opes de tecnologia de comunicao fsica
Fonte: Northcote-Green (2007, p. 292)
2.12.3 Protocolos de comunicao
Com o passar dos anos, inmeros recursos foram surgindo, novos equipamentos
foram instalados nas subestaes e, dentro deste novo cenrio, novos protocolos de
comunicao foram sendo implementados no nvel do processo, tambm denominado
de comunicao horizontal, e na comunicao entre a subestao e os centros de
controle, tambm denominado de comunicao vertical. Os protocolos de comunicao
so regras entre dois dispositivos capazes de estabelecer um canal de comunicao para
troca de dados. Basicamente so definidos por um conjunto de: (24)
a) Formato de mensagens;
b) Servios;
c) Procedimentos;
d) Endereamento;
e) Conveno de nomes.
At a dcada de 80, cada fabricante desenvolvia seu prprio protocolo de
comunicao, o que provocou a existncia de sistemas operando de forma isolada
dentro de uma mesma subestao, dificultando a integrao, o gerenciamento e a
manuteno. As dificuldades geradas por essa profuso de protocolos proprietrios deu
origem, por presso dos usurios, a uma tendncia no sentido da criao de protocolos
abertos.
Na essncia, protocolos de comunicao definem as regras para a transmisso de
dados entre os dispositivos de comunicao. Em palavras simples, um protocolo de
comunicao seria o idioma empregado entre o transmissor e o receptor. Os
protocolos de comunicao mais comuns para automao em sistema de energia eltrica
so: MODBUS, DNP 3.0, IEC 60870-5-101, UCA 2.0 e IEC 61850.
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2.12.3.1 Protocolo Modbus
Modbus um protocolo de transmisso desenvolvido pela Gould Modicon
(subsidiria da Schneider Automation) para sistemas de controle de processo. O Modbus
simples e flexvel sendo um protocolo divulgado publicamente, o que permite que os
dispositivos possam trocar os dados discretos e analgicos.
O Modbus, devido sua necessidade de transferir sinais de controle entre os
controladores lgicos programveis, atuadores, etc., descreve o processo de um
controlador que utiliza a solicitao do acesso a outro dispositivo, como ele vai
responder s solicitaes do outro dispositivo e como os erros sero detectados.
O protocolo Modbus utilizado para estabelecer comunicao mestre-escravo
entre os dispositivos inteligentes e tem dois modos de transmisso ASCII e RTU.
Diferentes vantagens e desvantagens so obtidas por cada um dos modos de
transmisso. Uma vantagem do modo RTU que ele tem uma densidade maior de
caracteres, e, por conseguinte, pode transmitir mais informaes pela mesma taxa de
transmisso. A vantagem do ASCII que permite que os intervalos de tempo de at 1
segundo a ocorrer podem ser transmitido sem causar erros.
As transaes possveis podem ser do tipo pergunta e resposta, no qual apenas
uma nica estao endereada ou de tipo Broadcast, em que todas as estaes
escravas so endereadas. Cada transao compreende uma nica mensagem de
pergunta e s uma nica mensagem de resposta. (22)
O Modbus admite at 247 equipamentos escravos em uma rede fsica. Ao
receber uma mensagem, o escravo, aps efetuar o teste de integridade de erros, executa
a ordem recebida, monta a estrutura da mensagem resposta e a envia ao mestre.
Mensagens tipo Broadcast no necessitam de resposta.
2.12.3.2 Protocolo DNP 3.0
DNP 3.0 fornece as regras para computadores de subestao e computadores
estao mestre de comunicao de dados e comandos de controle. Westronic, agora GE
Harris criou o protocolo de rede distribuda DNP em 1990. O protocolo DNP depois
mudou de um protocolo proprietrio para um protocolo de domnio pblico em 1993, o
DNP 3.0. Em Novembro de 1993, o grupo de usurio DNP, composto por utilitrios e
fornecedores, adquiriu a propriedade do protocolo. Em 1995, uma comisso tcnica
DNP foi formada tendo a responsabilidade de recomendar as especificaes e novos
desenvolvimentos para o grupo de usurios DNP.
DNP um protocolo de camada e composto por trs camadas e uma camada
pseudo. A Comisso Internacional de Eletrotcnica (IEC) denomina a estrutura e as
camadas como Enhanced Performance Architecture (EPA).
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Figura 2.13 Arquitetura do protocolo DNP
As mensagens construdas so ento passadas para a camada pseudo de
transporte na qual so fragmentadas. A camada de enlace recebe as mensagens
fragmentadas da camada pseudo de transporte e envia para a camada fsica, onde
finalmente as mensagens so enviadas. Quando a quantidade de dados a serem
transmitidos demasiado, grande para uma nica mensagem de camada de aplicao,
vrias mensagens da camada de aplicao podem ser construdas e transmitidas
sequencialmente. A camada enlace tem a responsabilidade de fazer a ligao fsica
vivel. Ela incorpora a deteco de erros e deteco de quadros duplicados a fim de
aumentar a confiabilidade da transmisso dos dados. O envio e recebimento de pacotes
so chamados de frames. O tamanho mximo de uma estrutura de ligao de dados de
256 bytes. A camada fsica est principalmente preocupada com o meio fsico sobre o
qual o protocolo DNP est sendo comunicado. Esta camada lida com os estados das
informaes e sincronizao entre os meios de comunicao, como iniciar e parar, entre
outros. O protocolo DNP implementado com os meios fsicos, tais como RS-232 ou
RS-485.
2.12.3.3 Protocolo IEC 60870-5-101
A IEC 60870-5 uma definio geral do protocolo desenvolvido pelo comit
tcnico 57 da IEC. Os padres da companhia de energia so integrados por selees de
sees feita a partir dos padres base, de modo a adquirir uma configurao especfica.
O perfil IEC 60870-5-101 tem uma estrutura de mensagem de comunicao RTU-IED.
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Figura 2.14 Arquitetura da camada IEC 60870-5-101
O modelo bsico de referncia contm sete camadas. No entanto, o modelo de
referncia simplificado, que utilizado na norma IEC 60870-5-101, tem menos
camadas, e chamado modelo de arquitetura desempenho melhorado.
2.12.3.4 Protocolo UCA 2.0, IEC 61850
O Electric Power Research Institute (EPRI) comeou o projeto de arquitetura
em novembro de 1998 como parte do programa integrado de comunicao. A verso 1.0
da UCA foi baseada em discusses com 14 empresas de energia eltrica. A UCA 2.0
evoluiu da 1.0, e geralmente dividida em UCA 2.0 para troca de dados em tempo real
e UCA 2.0 para os dispositivos de campo. O Manufacturing Message Specification
(MMS) e Generic Objects Models for Substation and Feeder Equipment (GOMSFE)
foram desenvolvidos com base nessa atividade de pesquisa.
O objetivo da UCA prover a integrao sem problemas dos sistemas nas
empresas eltricas pelo empreendimento e uso de pacote de padres internacionais que
beneficiar a reduo de custos. UCA Verso 2.0 foi publicada como relatrio tcnico
IEEE TR1550 em novembro de 1999.
A UCA difere dos demais protocolos anteriores, por causa do uso dos modelos
orientados a objeto em dispositivos e componentes. Estes modelos definem dados
comuns, formatos, identificadores, controladores, dispositivos de alimentao como
unidade de medida, interruptores, reguladores de tenso, rels, etc., utilizados dentro de
uma subestao.
O funcionamento e comportamento integral do dispositivo so especificados
pelos modelos, isto permitir aos fabricantes a utilizao em futuras inovaes. Os
modelos foram desenvolvidos dentro de um processo aberto que incluem as
fornecedoras, concessionrias e empresas ligadas ao mercado eltrico.
O protocolo MMS, desenvolvido pelo padro ISO 950.6, controla em tempo real
a aquisio de dados. MMS define a estrutura da mensagem que apoia o acesso aos
dados, programas, eventos, e outros que constituem parte comum dos dispositivos de
tempo real. Estas mensagens podem ser transportadas usando uma pilha diferente de
protocolos correlatos.
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Os documentos da UCA especificam um pacote de padres internacionais que
podem ser aplicados a diferentes requisitos de arquiteturas de comunicaes existentes
nas concessionrias. A UCA pode ser usada para definir e implementar uma grande
variedade de funes que possuem padres para apoiar tanto a automao de sistemas
de distribuio, quanto sistemas de administrao da demanda, sistemas de controle de
subestaes, automao de plantas de energia, sistemas de gua, gs e interface com
clientes. A UCA inclui os seguintes documentos:
Introduo para UCA;
Especificao do perfil da comunicao UCA;
Modelos comuns para aplicao de servios (CASM);
Modelos objeto genricos para subestaes e equipamentos de alimentao
(GOMSFE);
Modelos de dispositivo de interface com cliente e de dispositivo para plantas
de energia (em preparao).
O GOMSFE define padres de modelos de dados para equipamentos e funes
que se encontram em uma SE, usando para esses modelos objetos comuns; que
proporcionam a interao e interoperabilidade entre os dispositivos e suas interfaces ao
usurio; GOMSFE prov, tambm, as diretrizes para a modelagem dos IED.
Os objetos GOMSFE podem trocar mensagens e gerar objetos entre si por meio
de um protocolo padronizado, segundo o formato Generic Object Oriented Substation
Event (GOOSE). Compondo-se os mdulos estabelecidos, possvel modelar desde
um terminal, remoto ou equipamento digital de medio, at um cubculo de um
alimentador de distribuio representando-se seus elementos de controle e proteo.
A norma IEC 61850 contm a maioria da especificao da UCA 2.0, como as
comunicaes cliente / servidor e peer-to-peer, alm de funcionalidades adicionais
como o projeto e a configurao de subestaes, ensaios e padres. (24)
Por ser uma norma relativamente recente, a IEC 61850 ainda se encontra em
evoluo contando para isso com o esforo conjunto de fabricantes, instituies de
pesquisa e rgos normativos internacionais. Atualmente, esta norma apresenta as
seguintes caractersticas principais:
a) Representa um conjunto de protocolos e critrios;
b) Est sendo adotada em diversos pases;
c) Corresponde ao estado da arte da tecnologia digital na rea de automao de
subestaes;
d) Permite uma completa integrao entre os diversos equipamentos digitais
inteligentes, atravs do uso de redes Local Area Network (LAN) de alta
velocidade e de elevada confiabilidade, baseadas na tecnologia Ethernet;
e) Possibilita o compartilhamento das informaes atravs do uso de tecnologia
j largamente comprovadas como a linguagem Extensible Mark-up
Language (XML), facilitando dessa forma, a implantao de funes de
automao e de auxlio operao e manuteno.
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Adicionalmente, a norma IEC 61850 veio solucionar o problema das expanses
dos sistemas digitalizados, oferecendo a garantia de interoperabilidade entre IEDs de
fabricantes diferentes, eliminando a dependncia de um nico fornecedor e reduzindo
drasticamente o tempo de implantao e os perodos de desligamentos necessrios.
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Captulo 3
3 Sistemas de controle para gerao elica
A gerao de energia eltrica um processo contnuo com rgidos requisitos de
segurana e confiabilidade que refletem a importncia deste insumo para todos os ramos
da atividade econmica. O atendimento destes requisitos impe restries aos sistemas
de controle das usinas, em relao s funes lgicas de controle e seus
intertravamentos de segurana, bem como ao desempenho e confiabilidade dos
equipamentos. As empresas devem adaptar-se evoluo da situao e criar
oportunidades para atingir os seus objetivos de negcio, assegurando um retorno
adequado para os acionistas.
Com o aumento da complexidade dos processos, um nmero maior de dados
deve ser tratado. Assim, foi necessria a adoo da tecnologia digital em detrimento da
analgica. Esta nova tecnologia contribuiu para a elevao dos padres de qualidade dos
servios prestados pelas empresas geradoras de energia eltrica, suportando um nvel
crescente de automao e inteligncia. Os equipamentos de uma unidade geradora, a
turbina, o gerador e seus componentes auxiliares (transformadores, bombas, tanques,
vlvulas, etc.), geralmente so instalados em uma rea relativamente extensa. Estes
componentes interagem entre si sob controle e superviso de um sistema hierrquico
com capacidade de adquirir, processar, transferir e armazenar os dados do processo.
Estes dados so, basicamente, os estados dos equipamentos (ligado/desligado,
aberto/fechado, normal/falha, etc.) e os valores de grandezas analgicas (tenses,
correntes, temperaturas, nveis, vazes, etc.).
As principais reas beneficiadas pelo controle esto apresentadas aqui de forma
sucinta:
Otimizao da operao: O operador tem acesso a todas as informaes de
forma centralizada via computador, minimizando a necessidade de
deslocamentos at os equipamentos;
Agilizao da manuteno: Em caso de alguma anormalidade que envolva as
unidades geradoras e servios auxiliares, o sistema memoriza a sequncia de
eventos digitais e analgicos envolvidos e permite uma ao direcionada da
manuteno, diminuindo o tempo de parada das unidades geradoras;
Padronizao da operao: Atravs das Interfaces Homem Mquina (IHM),
h maior padronizao das operaes da usina e registro das aes
operacionais para anlise posterior;
Manuteno preventiva: O tempo de operao ou o nmero de manobras
efetuadas pelos principais equipamentos so acompanhados. O sistema alerta
sobre o momento de parada para manuteno peridica;
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Informaes gerenciais para usurio remoto: Disponibilidade remota on-line
das informaes do sistema, incluindo todas as telas grficas, grficos de
tendncias e relatrios do sistema;
Aumento da produtividade de operao de todo sistema: Desenvolve e
implementa projetos visando redues de custos, de refugo (desperdcio) e
de tempo do processo.
Segundo HAU (2006), sistemas de controle de uma turbina elica deve
principalmente assegurar o seu total funcionamento automtico. Qualquer abordagem
que exija alguma interveno manual durante a operao normal seria totalmente
inaceitvel. Alm disso, consideraes econmicas exigem dos sistemas de controle
eficincia mxima a ser alcanada em cada ponto de operao.
Alm destes requisitos, h outras tarefas a serem cumpridas pelo sistema de
controle. Entre estas, a segurana operacional, que da mais alta prioridade. Falhas
tcnicas e riscos ambientais devem ser reconhecidos e os mecanismos de segurana
fornecidos devem ser disparados. Oportunamente, a funo do sistema de controle
contribuir para reduzir as cargas estruturais sobre a turbina de vento.
No menos importante, o sistema de controle esperado por ser suficientemente
flexvel para se adaptar ao desempenho da turbina para variadas condies de
funcionamento sem extensas modificaes tcnicas. Esta adaptao pode ser fornecida
por tecnologia de controle digital moderno por meio de uma mera mudana no software.
Figura 3.1 - Tarefa do sistema de controle de uma turbina elica.
Fonte: Gasch (2012, p. 403)
O controlador recebe entradas externas de acordo com as condies de
funcionamento e, acima de tudo, as condies de vento e as intenes do operador.
Estas informaes determinam os valores de referncia para o controlador que tambm
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ir monitorar as condies operacionais e tomar decises relativas ao modo de
operao, com base em dedues lgicas. O sistema de controle cuida dos processos de
controles internos da turbina. De certa forma, representa o elo entre o controlador e os
componentes mecnicos e eltricos da turbina. O sistema de controle deve, portanto, ser
combinada com as caractersticas de funcionamento e os limites de resistncia estrutural
da turbina. (6)
Em turbinas elicas com controle nas ps, o sistema de controle controla trs
sistemas funcionais: controle de velocidade da guinada, potncia do rotor e a sequncia
operacional. As turbinas de ventos menores que, frequentemente, no tem controle de
ps tambm no tm velocidade ativa e controle de potncia. A limitao destas
turbinas menores dada pela prpria rede. Mas mesmo nesta verso mais simples, um
sistema de controle necessrio para um bom funcionamento de operao. Os
problemas de controle de turbinas elicas so conduzidos com os mesmos pressupostos
que os sistemas de geradores eltricos, os fundamentos de controle de mquinas
eltricas devem ser conhecidos.
3.1 Sistema de medio de vento
O sistema de controle e de guinada requer a medio da velocidade e direo do
vento, pelo menos no caso das turbinas de maior dimenso. Pequenas turbinas podem,
em algumas circunstncias, fazer sem a medio destes dois tipos de controle.
3.1.1 Localidade da medio de vento
A localizao para medio do vento deve ser escolhida com cuidado, uma vez
que o fluxo de ar nas imediaes da turbina influenciado pelo rotor girando. Se a
medio da velocidade e direo do vento no deve ser influenciada pelo rotor, ento
um ponto de medio teria que ser colocado atrs do rotor a uma distncia de dez vezes
o dimetro do rotor. Considerando o exposto, compreensvel que a medio do vento
operacional, independentemente da corrupo dos resultados nas imediaes do rotor,
seja geralmente colocada na parte superior da nacelle (Figura 3.2). Em alguns casos, o
anemmetro tambm montado na torre, abaixo do raio do rotor. (6)
Seja como for, a medio precisa do vento no vivel. No entanto, o
funcionamento prtico no requer uma medio exata do vento, enquanto a discrepncia
provocada pela rotao do rotor conhecida com exatido e tomada em considerao
na transformao dos dados obtidos. A uma velocidade nominal de vento de cerca de 10
m/s, as medies de velocidade do vento na parte superior da nacelle, ir mostrar uma
diferena de 2 a 3 m/s, depende ainda se a medio efetuada em frente ou atrs do
plano do rotor. Tomando em considerao esta diferena da velocidade do vento ir
fornecer resultados que so suficientemente precisos para a gesto da operao da
turbina. por esta razo, mas tambm por razes de redundncia, que so por vezes
montados dois anemmetros em grandes turbinas.
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Figura 3.2 - Sistema de medio de vento na nacelle de uma turbina offshore
Fonte: Hau (2006, p. 360)
3.1.2 Sensores de vento e processamento de dados
O sistema de medio de vento, basicamente, consiste de dois componentes
principais: o sensor e o sistema de processamento de dados. Sensores para medio
combinando velocidade e direo de vento esto disponveis em vrios formatos. A
velocidade do vento e a direo do vento determinada com o auxlio de sensores. Os
dados medidos so normalmente processados eletronicamente. (6)
Figura 3.3 Sensores de velocidade e direo de vento combinados.
Fonte: Hau (2006, p. 361)
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3.1.3 Yawcontrol
O controle de movimento da guinada caracterizado por objetivos
contraditrios. Por um lado, o desvio do rotor a partir da direo do vento, ngulo de
guinada, supostamente to pequena quanto possvel para evitar a perda de potncia.
Por outro lado, o sistema de controle de guinada no deve responder muito
sensivelmente, a fim de evitar movimentos pequenos contnuos de guinada, que
poderiam reduzir a vida til dos componentes mecnicos. No possvel encontrar uma
regra geral, a soluo determinada pelas propriedades especificas da turbina, bem
como pelas condies de ventos locais. O ngulo de guinada mdio da magnitude de
cerca de 5 graus. Isto envolve certa perda de potncia do rotor. Como s se torna visvel
na gama da carga parcial, a perda permanece dentro dos limites tolerveis de
aproximadamente 1% a 2% da produo anual de energia. (6)
Figura 3.4 - Medindo o ngulo de azimute da direo do vento e da nacelle