Avaliação dos efeitos do uso de plataformas de engenharia seguindo oconceito de Engineering information modeling (EIM) no ciclo de vida dos ativos de Proteção, Automação e Controle (PAC)
Autores: R.T.N Fernandes (ESC Engenharia); E. Magalhães (ESC Engenharia); R. Dias (ESC Engenharia); S.S. Santos (ESC Engenharia)
1 INTRODUÇÃO
O sucesso no projeto de sistemas de proteção, automação e controle (PAC) com aplicação em sistemas elétricos de potência está diretamente relacionado à preparação, consulta, armazenamento e atualização de dados técnicos. Nesses processos, os profissionais têm enfrentado dificuldades rotineiramente. Listam-se a falta de completude de dados e de sua confiabilidade (dados desatualizados ou contrastados), dificuldade em controlar ajustes quando trabalhos paralelos ocorrem, tempo elevado para acessar informações de projeto, entre outros. Esses desafios trazem consequências onerosas aos diversos stakeholders, como: maiores riscos de retrabalho no desenvolvimento de projetos, elevando custos; work statements prolongados; atrasos nas diferentes fases dos projetos; erros de operação; atrasos em manutenções; dificuldades e erros ao realizar trabalhos colaborativos e a baixa qualidade dos dados.
Plataformas de engenharia baseadas em bancos de dados que contam com padrões internacionais e metodologias bem definidas podem suportar esses desafios, simplificar o acesso às informações, reduzir o tempo de análise e ações, gerenciar fluxos de trabalho de qualidade, registrar revisões de projetos e melhorar a qualidade dos dados. Além disso, os dados estruturados e integrados podem ampliar o potencial das aplicações de mineração de dados.
O avanço do Engineering Information Modeling (EIM) na indústria de energia elétrica já é observado em várias disciplinas, sendo suportado em algumas plataformas de engenharia do mercado. Através do EIM é possível automatizar processos e integrar dados de diferentes disciplinas, melhorando a qualidade dos dados e diminuindo a possibilidade de erros devido a troca manual de informações.
Nesse contexto, aborda-se um estudo de caso que realiza a estruturação de um banco de dados para desenvolvimento de projetos de PAC, seguindo-se uma metodologia EIM, a partir de uma plataforma de engenharia, explorando diversas aplicações que implicam em um desenvolvimento de projetos mais eficiente e com maior qualidade, assim como no acesso rápido e confiável de suas informações no ciclo de vida completo dos ativos.
2 REVISÃO DE LITERATURA
Um conjunto complexo de dados interconectados integra o conhecimento de sistemas de energia elétrica. De acordo com as diferentes fases do ciclo de vida inteiro de um projeto (planejamento, design, construção, comissionamento, operação e manutenção), diferentes tipos de especialistas dependem de diferentes informações. Esses dados complexos são categorizados e descritos pelos seguintes itens:
● Especificações, estudos e requisitos de projetos de construção (aspectos civis e eletromecânicos).
● Dados de equipamentos e sensores: linhas de transmissão, linhas de distribuição, cabos, disjuntores, reatores, capacitores paralelos, transformadores, geradores, transformadores depotencial (TP), transformadores de corrente (TC), etc.
● Requisitos funcionais para eliminação de faltas (garantir a proteção de equipamentos críticos, minimizar danos a equipamentos e garantir a segurança de pessoal e segurança do sistema).
● Desenhos de sistemas de proteção, controle e supervisão (Diagramas elétricos, definições lógicas, especificações e manuais de dispositivos eletrônicos inteligentes (IED), outras especificações e manuais de equipamentos).
● Desenhos e especificações de comunicações (projeto de arquitetura, especificações de protocolos).
● Arquivos de configurações do sistema (backups do SCADA, backups de configuração dos IEDs).
● Tabelas de ordens de ajuste para cada função de proteção e controle e a descrição de seus cálculos e considerações.
● Descrições e registros detestes de aceitação na fábrica (TAF) e comissionamentos (TAC).
● Manuais de operação e manutenção (descrição de procedimentos de operação e manutenção).
● Relatórios de sequência de eventos (relatórios de trips, alarmes e eventos).
● Descrições históricas de manutenção.
[1] afirma que os sistemas de banco de dados permitem que os dados da rede inteligente sejam armazenados de maneira sistemática e possibilitem sua recuperação, processamento e análise imediata ou posterior. [2] explica que os desafios para a interoperabilidade são gerados pela prática atual de diferentes áreas do domínio de energia, que usam diferentes modelos semânticos de dados. Essas questões são uma barreira para as redes inteligentes. Neste contexto, a normalização do Common Information Model (CIM) fornece uma estrutura robusta para compartilhamento, fusão e transformação precisos de informações reutilizáveis [3]. [1] afirma que a aquisição de dados de sistemas antigos para construir um sistema de banco de dados comum pode ser complicada e, nos casos piores, pode ser necessária a entrada manual de dados. Métodos para extrair dados estruturados de dados não estruturados podem acelerar processos como este. As técnicas de aprendizado de máquina são geralmente aplicadas a esse tipo de problema, como o método proposto em [4].
Neste contexto, para novos projetos, a metodologia de Building Information Model (BIM) é uma alternativa para construir um banco de dados estruturado diretamente das entregas dos engenheiros. Isso elimina o esforço de transferir dados do projeto para sistemas de banco de dados e a possibilidade de erros intermediários neste processo. [5] define BIM como um método para desenvolver projetos de construção com o apoio da Tecnologia da Informação (TI), o processo de geração e manutenção de informações digitais das propriedades físicas e funcionais dos requisitos deconstrução.
O BIM é bem consolidado na indústria da construção, mas o conceito pode ser usado para diferentes indústrias. [4] usa o termo Engineering Information Model (EIM) e afirma que, com o avanço da EIM no projeto na indústria de energia elétrica, os dados na construção e manutenção de novos projetos são arquivados em um formato digital conveniente para recuperação. [4] também afirma que o banco de dados de engenharia digital pode fornecer uma riqueza de informações de engenharia para referência com base na escala do projeto, nas condições ambientais, nos parâmetros de equipamentos e nas características regionais. O EIM também permite a automatização de fases dos processos de engenharia. Dependendo da solução de software, é possível integrar dados de diferentes disciplinas, melhorando a qualidade dos dados e diminuindo a possibilidade de erros.
3 ESTUDO DE CASO
3.1 Plataforma de Engenharia e Metodologia EIM
O desenvolvimento de projetos de PAC e aplicação de metodologia EIM são possibilitados mediante a adoção de uma plataforma de engenharia. Usando-se de um software disponível no mercado, foi criado um banco de dados que desempenha a função de repositório digital centralizado para todas as informações de engenharia. Com efeito, a plataforma de engenharia adotada também é usada para a elaboração de projetos de PAC. A implementação da metodologia EIM no software é viabilizada pela versatilidade e funcionalidades da plataforma. Assim, pode-se usá-lo para gerenciar informações de engenharia ao longo do ciclo devida de um ativo. Por ser repositório unificado para todos os dados de engenharia, o gerenciamento de dados no software ocorre por um fácil acesso e compartilhamento de informações entre as equipes de trabalho, o que permite uma colaboração em tempo real entre equipes multifuncionais. Dessa maneira, a gestão do fluxo de trabalho pode ser construída, com a padronização de processos de engenharia, automatização de etapas de projeto, promoção de trabalho paralelo no banco de dados, análise eficaz de informações por representação visual dos dados de engenharia e conformidade com os padrões, normas e regulamentos do setor e de padrões de clientes.
3.2 Rastreamento de Informações
O rastreamento de dados é relevante no contexto de projetos de PAC a partir da possibilidade de criação de um registro histórico das informações cadastradas no banco de dados relativas ao projeto. Com isso, o monitoramento do projeto se torna eficiente, ao passo que há um controle sobre as modificações que foram implementadas no projeto. Portanto, o uso de banco de dados com rastreamento eficiente de dados mostra-se essencial em processos de manutenção, ampliação e retrofit de subestações, tendo em vista o auxílio em solução de problemas decorrentes do desenvolvimento de projetos dessa natureza: o rastreamento de dados é usado para diagnosticar problemas e se podem obter as informações precisas necessárias para resolvê-los. O rastreamento de dados é implementado no software em uma das pastas de projeto, “Rastreamento Avançado de Dados”, consoante Fig. 1.
A plataforma de engenharia usada oferece o rastreamento de modificações a partir da criação de planilhas de comparação, com um identificador de rastreamento de dados (ex.: A, B, C; ou, 0, 1, 2; etc.) que está relacionado à versão do projeto. Assim, nessa pasta coletiva, estão alocadas as planilhas de comparação, nas quais se identifica se e quais atributos foram alterados, deletados ou adicionados. Um exemplo de planilha de comparação é apresentado na Fig. 2. Nesta, é possível detectar a alteração de alguns elementos do banco de dados em relação à versão anterior.
3.3 Geração automática de diagramas
A geração automática de diagramas beneficia o processo de desenvolvimento de projetos de PAC com a otimização da precisão dos esquemas criados, o que garante a consistência do diagrama. Os diagramas automatizados reduzem a possibilidade de erro humano, além de garantir as convenções adotadas de design, formatação e nomenclatura. Utilizando-se de desenvolvimentos internos, os engenheiros concentram-se no desenvolvimento do diagrama funcional do projeto no software, havendo a criação automática dos diagramas de fiação e de interligação. Para tanto, foram criados atributos-fórmula, pelo uso da metalinguagem da plataforma de engenharia, e assistente, em linguagem VBA. A Fig. 3 exibe recortes de diagramas de fiação e interligação criados no software.
3.4 Geração automática de Listas de Materiais
A geração automática de Lista de Materiais é crucial para projetos de PAC, uma vez que promove uma maior precisão do entregável e reduz erros manuais em seu processo de criação. Desse modo, a visualização em tempo real dos dados cadastrados do projeto na lista de matérias permite a identificação de qualquer discrepância potencial de componentes em tempo hábil. Com efeito, viabiliza-se uma eficiente estimativa de custo do projeto.
A despeito da geração automática pelo próprio software adotado de listas de matérias para normas internacionais, a formatação desse entregável depende dos padrões requeridos pelo cliente. Com efeito, a minimização do tempo requerido para a geração de lista de materiais na plataforma de engenharia foi alcançada após desenvolvimento interno, a fim de que exigências de cliente fossem obedecidas. Para tanto, foram desenvolvidos atributos utilizando-se da metalinguagem do software, conhecidos como “atributos-fórmulas”, através da qual se pode coletar dados de objetos do banco de dados.
3.5 Orçamentação de Projetos
O orçamento automático em projetos de PAC foi promovido na plataforma de engenharia utilizada a partir de um desenvolvimento usando-se da programação em VBA. Essa automatização garante um orçamento preciso e consistente, uma vez que elimina os cálculos manuais e reduz chances de erro humano, acrescido pela economia de tempo. Com o uso do software, pode-se gerar planilha no excel que apresenta informações sobre os dispositivos e seu custo, totalizando o preço total da lista de materiais. Um trecho da orçamentação automática é mostrado na Fig. 4.
3.6 Automatismo para Comprimentos de Cabos
O conhecimento e cadastro do comprimento de cabos de equipamentos da subestação são fundamentais em projetos de PAC. A precisão dessa informação é relevante porque influencia no custo dos materiais e de mão de obra, minimiza o desperdício, e, sobretudo, evita transtornos em obra. Para o cadastro eficiente do comprimento de cabos do projeto no software, foi desenvolvido assistente em linguagem VBA, que possibilita a distribuição do comprimento para cabos a partir da distância estabelecida para determinado destino. Assim, caso haja equivalência em destino do cabo, essa informação é repassada para o cabo. A interface do assistente é apresentada na Fig. 5.
3.7 Integração de Dados de Ordens de Ajustes de IEDs
A configuração e o ajuste dos parâmetros dos IED’s (Dispositivo Eletrônico Inteligente) garantem a operação adequada e segura do sistema elétrico. Com efeito, uma Ordem de Ajuste (OA) equivocada ou desatualizada pode causar a instabilidade do sistema, causando disparo incorreto ou até mesmo danos ao próprio equipamento, o que pode levar a reparos de elevado custo ou tempos de inatividade do sistema elétrico de potência.
A integração dos dados de OA na plataforma de engenharia permite que suas informações possam ser consultadas facilmente no banco de dados, sendo possível realizar filtros e também gerenciar revisões. Para proporcionar a integração da OA ao software, foi desenvolvido assistente através de linguagem de programação VBA, que possibilita o intercâmbio de informações entre arquivos excel e o banco de dados. Dessa forma, é possível tanto extrair uma OA de um IED a partir de planilha excel para a formatação dessa estrutura no banco de dados, usando-se de “Funções”, quanto construir a OA na plataforma de engenharia e promover sua exportação como arquivo excel. A Fig. 6 apresenta um recorte de OA em planilha excel e no banco de dados.
3.8 Geração de Lista de Pontos do SCADA
A Lista de Pontos do SCADA dispõe de papel indispensável para o monitoramento de subestações. O monitoramento de qualidade das plantas possibilita a célere detecção de eventuais falhas, o disparo de alarmes, além de promover a coleta contínua de dados de desempenho do sistema. Em vista da relevância desse elemento para o aprimoramento da confiabilidade da operação de subestações, foi desenvolvido assistente em VBA para a exportação da Lista de Pontos do SCADA a partir da plataforma de engenharia. Com isso, a partir da estruturação do projeto de PAC no software, pode-se exportar a Lista de Pontos em formato *.XLS, conforme apresentado na Fig. 7.
3.9 Geração de Projetos
O controle de tarefas relacionadas a projetos de PAC é implementado no software através do Assistente de Fluxo de Trabalho. Usando-se dessa ferramenta nativa, pode-se definir o escopo do projeto, definir metas, acompanhar o progresso e garantir as entregas do projeto em tempo hábil. Acresça a isso, foi implementado o gerenciamento de usuários, com o controle de permissões sobre o projeto, e o gerenciamento de revisões, que proporciona o controle do histórico detalhado das informações criadas, deletadas ou modificadas nos projetos. Com efeito, a gestão de projetos de PAC é efetuada usando-se de funcionalidades nativas do software. A Fig. 8 exibe os status do fluxo de trabalho adotado para projeto de PAC e o controle de acesso de usuários.
4 CONCLUSÕES
O estudo de caso ilustra a aplicação da metodologia EIM vinculada ao uso de uma plataforma de engenharia. Com efeito, são apresentadas soluções que endereçam desafios na gestão do ciclo de vida dos ativos de PAC. Dentre os desafios superados, destacam-se o rastreamento de informações no banco de dados, a geração automática de lista de materiais, de diagramas de fiação e interligação, automatizações para cadastro de comprimentos de cabos, a orçamentação automática de projetos, e a gestão de projetos integrada. Acrescendo-se a isso, a possibilidade de integração de dados de projetos de PAC com informações de diferentes disciplinas foi explorada, mostrando-se a integração das ordens de ajuste de IEDs e da lista de pontos do SCADA ao banco de dados.
Em vista dessas soluções, é razoável sustentar que o uso de metodologia EIM em plataforma de engenharia promove uma alternativa robusta para a gestão do ciclo de vida dos ativos de Proteção, Controle e Automação. Avanços em processos de engenharia, que compõem desde etapas iniciais de projeto até trabalhos de retrofit, são factíveis graças ao refinamento dos dados, promovido pelo uso da metodologia no software. Dessa maneira, é possível desenvolver a automatização de tarefas, integrar diferentes disciplinas em repositório digital e dispor de mais controle sobre as informações, havendo histórico detalhado dos dados criados, deletados ou modificados nos projetos. Logo, a partir do estudo de caso, há contribuição para processos de instalação, manutenção, ampliação e retrofit de subestações, observando-se a redução de riscos de retrabalhos, do custo dos projetos e de manutenções, e consequentemente de atrasos em diferentes fases dos projetos de PAC.
5 REFERÊNCIAS
[1] Z. Aung, Database Systems For The Smart Grid, London: Springer, 2013.
[2] D. K. Kim, A. Alaerjan, L. Lu e H. Y. a. H. Jang, “Toward interoperability of smart grids,” IEEE Communications Magazine, vol. 55, nº 8, pp. 204-210, 2017.
[3] H. J. Kim, C. M. Jeong, J. M. Sohn, J. Y. Joo, V. Donde e Y. K. a. Y. T. Yoon, “A comprehensive review of practical issues for interoperability using the common information model in smart grids,” Energies, vol. 13, nº 6, p. 1435, 2020.
[4] Y. Chen, W. Jiang, Y. Wang, J. Hu, L. Guan e Z. Zhu, “Research on Deep Learning-based AI Information Extraction Methods of Substation Engineering Design,” em 4th International Conference on Energy, Electrical and Power Engineering (CEEPE), Chongqing, 2021.
[5] J. Farooq, P. Sharma e K. R. Sreerama, “A BIM-based Detailed Electrical Load Estimation, Costing and Code Checking,” International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 8, nº 5, p. 3484, 2018.