Integração de IHMs de alta performance com fontes de dados relevantes para a O&M (manuais operativos, oscilografias, diagramas, BIM, EIM)
Autores: R.T.N Fernandes (ESC Engenharia), L.M. Lins (ESC Engenharia), R. Dias (ESC Engenharia), S. Soares (ESC Engenharia)
1 INTRODUÇÃO
A O&M de subestações visa garantir a disponibilidade e segurança do sistema elétrico, para isso as organizações costumam definir procedimentos e utilizam diversas fontes de dados da planta (SCADA, projetos, oscilografias, manuais operativos etc.) para realizar diagnósticos e tomadas de decisões com eficiência, evitando custos de manutenção elevados ou despesas com multas de órgãos reguladores. A supervisão de processos industriais é de suma importância não só para segurança e controle de qualidade, mas também para preservação dos mesmos. Sistemas SCADA tem como principal objetivo fornecer informações de relevância sobre o sistema aos operadores, por meio de alarmes, eventos e visualização dos estados de seus equipamentos.
Os operadores do sistema de energia e os engenheiros de proteção são frequentemente sobrecarregados pelo volume e complexidade dos dados com os quais precisam lidar no caso de eventos em cascata dentro de uma subestação. Em [1] afirma-se que o desenvolvimento de sistemas SCADA modernos de alto desempenho se fundamentam em estudos nas áreas de design, psicologia e ciências cognitivas com o objetivo de mostrar de forma intuitiva para os operadores as informações necessárias de acordo com o monitoramento da planta, gerando um alto nível de Consciência Situacional do operador e uma rápida detecção de situações anormais.
No entanto, dependendo dos eventos ocorridos os responsáveis pela O&M geralmente precisam analisar outras fontes de dados além do SCADA - como configurações de proteção, ordens de ajuste, oscilografias, diagramas de circuitos, diagramas lógicos, backups de IEDs, dados de projetos, sejam eles em desenhos ou em dados estruturados em BIM-Building Information Modeling ou EIM-Engineering Information Modeling– como base para análise de falhas para então realizar diagnósticos e definir ações de manutenção.
Essas fontes de dados adicionais muitas vezes são armazenadas em documentos e sistemas descentralizados elevando a dificuldade de acesso às mesmas. Este problema se agrava quando a gestão e a organização desses documentos não são bem estruturadas, deixando o processo de encontrar os documentos necessários para analisar cada situação monitorada no SCADA, uma atividade custosa e demorada para operadores e engenheiros. Essa falta de integração organizada dos dados eleva o tempo para realizar diagnósticos e tomar ações.
2 REVISÃO DE LITERATURA
[2] afirma que um componente essencial no desenvolvimento de processos de manutenção mais sofisticados é o emprego de sistemas de informação, mas a maioria das concessionárias de energia atuais têm sistemas de informação muito diferentes que servem a muitos propósitos diferentes. Os problemas mais comuns em tais arquiteturas de sistemas heterogêneos são: altos custos de manutenção e atualizações, duplicação de funcionalidade e dados do sistema, baixa satisfação do usuário final e níveis de alto risco na implementação de novos sistemas e falta de qualidade dos dados. Portanto, o autor propõe um framework de modelagem baseado em Common Information Model (CIM) para basear os sistemas de informação para a manutenção de redes de distribuição de energia elétrica. Em [2] o autor discute os desafios de implementar um sistema de banco de dados comum adquirindo dados de diferentes sistemas e dados não padronizados. A transformação de dados existentes em sistemas de banco de dados integrados pode ser complexa e custosa.
Em [3] é proposto um plano de implementação para o uso de software de sistema integrado inteligente de subestações, e os requisitos, funções e modos são elaborados. Por outro lado, uma arquitetura de big data de potência, composta pela camada de integração de dados, a camada de armazenamento de dados, a camada de processamento de dados e a camada de visualização de dados é proposta em [4]. Os autores demonstram a composição e as funções das diferentes camadas em detalhes. Em [5], são discutidos os desafios relacionados ao desenvolvimento de sistemas de Rede Elétrica Inteligente. O artigo apresenta sua complexidade técnica inerente e a participação de diferentes stakeholders de diferentes disciplinas. Os autores propõem uma abordagem conceitual para habilitar a integração da segurança por projeto no desenvolvimento de sistemas de Rede Elétrica Inteligente.
É possível observar nos artigos revisados que o processo de estruturar/integrar dados e sistemas legados enfrenta diversos desafios, podendo ser muito custoso e demorado. Soluções que possam direcionar as informações de interesse para os responsáveis pela O&M tem o potencial de agilizar análises e diminuir custos de manutenções. O uso de metadados associados a documentos permite que relacionamentos sejam feitos entre os seus dados e os eventos do SCADA de forma que atalhos e filtros possam ser aplicados para facilitar o acesso a informações relevantes, mesmo que essas informações ainda estejam em documentos com dados não estruturados. O potencial de atalhos e filtros mais detalhados relacionados a determinado evento aumenta com o aumento da quantidade de dados de diferentes disciplinas estruturados em bancos de dados estruturados e relacionados.
3 SOLUÇÃO PROPOSTA
Esse trabalho propõe uma solução com o objetivo de integrar ao SCADA o acesso a dados necessários para realizar diagnósticos de falhas e manutenções do sistema com mais eficiência. Essa integração abrange diversas fontes de dados da planta (manuais operativos, oscilografias, diagramas, BIM, EIM etc..), considerando também a aquisição automática em tempo real de oscilografias via IEC 61850. Para atribuir relações entre os alarmes do SCADA e os dados de interesse foram definidos os seguintes metadados que devem ser atribuídos a cada fonte de dado: Subestação, Nível de tensão, Nome do Vão, Disciplina, Tipo, Painéis, IEDs e Última Revisão. Então o SCADA disponibiliza uma tela de visualização desses arquivos onde é possível visualizar seus metadados e realizar filtros para buscar informações de forma mais eficiente. Além disso, de acordo com os alarmes e eventos monitorados no SCADA o usuário pode utilizar atalhos que o levam diretamente para a visualização dos dados relacionados com aquele evento, entregando os dados de suporte necessários para realizar diagnósticos e tomar ações.
3.1 Configuração dos Documentos no Ambiente Elipse Power
Para a inserção dos documentos de forma adequada no ambiente do software Elipse Power, é necessário o preenchimento de um arquivo .csv, uma lista de documentos, no qual cada coluna representa um metadado do arquivo, uma propriedade relacionada às características de um sistema elétrico, como a subestação relacionada, o nome do bay e o nível de voltagem.
Por meio de uma rotina, ao se definir uma pasta raiz, todos os arquivos e pastas, contidos ou não na lista, são transformados em objetos hierarquizados nativos do software SCADA, e o arquivo .csv preenchido é utilizado para repassar os atributos a estes objetos.
3.2 Atalhos no PopUp de Alarmes
Na aplicação desenvolvida ao se visualizar um alarme, é possível acessar o PopUp de alarmes através do ícone vermelho no diagrama unifilar (ver Fig. 1).
Neste PopUp encontra-se um menu com o objetivo de facilitar a consciência situacional do operador, o qual possibilita o acesso ao arquivo BIM, referente àquela área. Ao clicar no local selecionado (ver seleção 3 da Fig. 2), o usuário é encaminhado para o arquivo que está localizado na nuvem (ver Fig. 3).
Além desta funcionalidade, o menu contém um atalho para o gerenciamento de oscilografias (ver seleção 2 na Fig. 2), e para a tela de documentos (ver seleção 3 da Fig. 2).
Por meio do atalho da tela de documentos, é possível acessá-la apenas visualizando os arquivos relacionados à área, devido ao filtro aplicado na coluna do nome do bay.
3.3 Funcionalidades da Tela de Documentos
A tela de documentos é apresentada com a exibição dos arquivos selecionados em forma de tabela, (ver Fig. 4), esta tela também contém algumas funcionalidades, como a navegação na árvore de documentos, treeview, e a possibilidade de visualizar os arquivos exibidos na tela.
3.3.1. Navegação pelo treeview
Através do treeview, é possível visualizar dados hierárquicos em forma de árvore, podendo expandir ou recolher os ramos e nós, como exemplificado na demarcação 1 (ver Fig. 5). Dessa forma, a navegação entre os documentos ocorre de maneira mais eficiente. Além da seleção de arquivos e pastas específicas, o objeto permite pesquisar os arquivos pelo nome.
3.3.2. Aplicação de Filtros
O uso de filtros possibilita uma pesquisa mais refinada. Desta maneira, na tela de documentos pode-se filtrar arquivos por nome (como visto na demarcação 2.1 da Fig. 5), subestação, nome do bay, setor, tipo, descrição, voltagem, painéis, IED’s, data de modificação, última revisão e extensão. Podendo ainda remover os filtros como sinalizado na demarcação 2.2 (ver Fig. 5).
3.3.3. Edição das colunas apresentadas
Caso haja a necessidade de uma exibição de informações mais simplificada, ou mais robusta, o ícone de edição de abas, demarcação 3 (ver Fig. 5), que dá acesso ao PopUp de edição de abas, como pode ser observado na (ver Fig.6). Porém existe uma visualização de abas padrão que pode ser modificada no ambiente de edição do Elipse Power.
3.3.4. Exportação da lista de documentos
Após filtrar os documentos desejados, é possível realizar a exportação dessa lista de documentos ao clicar no botão da demarcação 4 (ver Fig.5), na forma de um arquivo .csv, como mostrado na Fig. 7. Nesta lista, serão exibidas todas as colunas de informações dos documentos.
3.3.5. Verificação das propriedades referentes aos documentos
Com os documentos listados em tela, há um acesso às informações para cada um deles, localizado na demarcação 5 (ver Fig.5). Este por sua vez, possibilita a visualização das propriedades do documento selecionado por meio de um PopUp, como mostra a Fig. 8.
3.3.6. Visualização do arquivo
De maneira análoga ao item 4.5, há também um botão de visualização para cada documento listado, localizado na demarcação 6 da Fig. 5. Este por sua vez, possibilita a visualização do arquivo, permitindo acessar o conteúdo do documento selecionado.
3.3.7. Abertura do local do arquivo
Similar ao que fora visto no item 4.6, há também um botão para abertura do local de cada documento listado, localizado na demarcação 7 (ver Fig. 5). Assim, é possível acessar o diretório do documento selecionado.
3.4 Gerenciamento de Oscilografias através do SCADA
Além do acesso pelo atalho no PopUp de alarmes, a tela de gerenciamento de oscilografias pode ser exibida por meio do atalho do tópico 8 (ver Fig. 9).
Nesta tela, exibida na Fig. 10, pode-se verificar todas as oscilografias obtidas automaticamente via IEC 61850. A estrutura da tela oferece as mesmas funcionalidades da tela de documentos, o que facilita para o usuário a procura por algum arquivo, ou lista de arquivos específica.
4 CONCLUSÕES
A solução desenvolvida trouxe uma integração do monitoramento do SCADA com os outros dados necessários para realizar análises e diagnósticos com mais eficiência. A solução endereça o desafio de acesso a fontes de dados que muitas vezes se encontram em documentos e sistemas descentralizados, permitindo assim diminuir o tempo para tomar ações, e consequentemente os custos de manutenções ou até despesas com multas de órgãos reguladores. Agregando ainda mais a filosofia de uma IHM de alto desempenho, na qual não somente os alarmes eventos são exibidos de forma intuitiva, mas também os outros dados necessários para as tomadas de decisão.
5 REFERÊNCIAS
[1] B. R. Hollifield, E. Habibi, D. Oliver e I. Nimmo, The High Performance HMI Handbook: A Comprehensive Guide to Designing, Implementing and Maintaining Effective HMIs for Industrial Plant Operations, Houston: PAS, 2008.
[2] L. Nordstrom, "Use of the cim framework for data management in maintenance of electricity distribution networks," PhD Dissertation, Industrial Information and Control Systems, KTH, Mar. 2006.
[3] R. Bian e X. Liu, "Design Application and Research of Substation Comprehensive Automation System Based on Smart Grid," In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 558, no. 5, p. 052039, 2020, August.
[4] D. Cao, J. Li, D. Cai, Q. Huang, Y. Teng e W. Hu, "Design and application of big data platform architecture for typical scenarios of power system," IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), pp. 1-5, August 2018.
[5] C. Neureiter, D. Engel e M. Uslar, "Domain specific and model based systems engineering in the smart grid as prerequesite for security by design," Electronics, vol. 5, no. 2, p. 24, 2016.