automação de subestações cap. 1

7/21/2019 Automação de Subestações Cap. 1

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AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES

CAPÍTULO 1 – HISTÓRICO

Eng. Paulo Roberto Pedroso de Oliveira.

ASCC Automação.

Observamos nos anos recentes um desenvolvimento vertiginoso na Tecnologiada Informação.

Os recursos desta tecnologia estão presentes em todas as atividades dasociedade moderna. Industrial, Médica, Comercial, Engenharia, Direito,Entretenimento, Segurança... A lista é longa, interminável. Para resumir :

Todas s áreas de atividades humanas, sem nenhuma exceção, têm aonipresença dos computadores.

A indústria de hardware está equacionada mundialmente, com algumasgrandes empresas fornecedoras de circuitos integrados. Fábricas na Ásia,fornecem para todo planeta. Esta indústria é intensiva em tecnologia e capital.Ou seja, sua viabilização econômica só acontece para fornecimento emgrandes escalas, escalas mundiais. O Brasil vem lutando para montar suaindústria componentes eletrônicos, mas é necessário que nossa economiacresça mais. Logo haverá escala econômica. Enquanto isto não acontece,continuamos, como o mundo inteiro, importando da China.

Existe uma constatação da indústria de circuito integrados em larga escala,conhecida como “Lei de Moore”, que vêm se confirmando desde a década de1950, que diz :

“ Os microprocessadores dobram de capacidade de processamento; e caempela metade no tamanho, consumo de energia e preço a cada 18 meses.”

As projeções mostram para 2020 o limite desta tendência. Integração no níveldos átomos de silício. Ou seja, os computadores serão do tamanho de umgrão de arroz, poderosíssimos e consumindo quase nada de energia. E omelhor, serão gratuitos. Não está tão longe assim. Estaremos aqui paraconferir.

Associando esta tecnologia com Wireless (comunicação sem fio), RF ID –Identificação por Rádio-Frequência e Nano-Tecnologia, veremos o surgimentode uma nova sociedade. A conectividade e mobilidade total. Todos os objetosque conhecemos estarão no cyber-espaço. Geladeiras, fogões, armários,automóveis, camisas, cuecas, latas de cerveja, recipientes com lixo tóxico,seres humanos, estarão na Internet. E terão endereços IPs. Nossos celulares já têm. Com eles já somos rastreados por GPS. Mas temos a opção de nãocarregar o telefone celular....

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A utilidade disto ? Fica para a sua criatividade e imaginação.

Minúsculos computadores, que chamaremos de NANOS, farão tudo. Telefonecelular, conexão na internet, emails, fotos, vídeo, música, redes sociais,

realidade estendida, notícias em tempo real. Será colocado discretamente nagola de nossa camisa. Não será necessário carregar um smart-fone.Digitaremos nossos emails em qualquer lugar, através da movimentação dosdedos, que serão decodificados pela câmera do NANO. Ou então falaremoscom o NANO. Através de reconhecedores de voz, ditaremos o email, e oNANO, nossa secretária particular, o enviará automaticamente.

MOBILIDADE E CONECTIVIDADE TOTAIS !!!!

Ficção científica ? Não !!! Esta tecnologia já existe. Só é necessário o tempopara tornar-se produto comercial.

Já vivemos muitos destes fatos.

Supermercados com produtos etiquetados com RF_ID ! Etiquetas, similaresaos códigos de barras, que emitem sua identificação ao serem “varridas” peloseu “scanner”. Elas utilizam a energia da onda eletromagnética que chega do“scanner” para responder. Ou seja, não necessitam de fonte de alimentação.

Existe um Supermercado Pão de Açúcar, em São Paulo, testando estatecnologia. Colocamos os produtos no carrinho de supermercado. Ao passarpela porta de saída (não existem mais caixas registradoras) , o “scanner”verifica todos os produtos que você comprou e debita no seu cartão de crédito.Simples e prático. Ou o mesmo processo dentro da sua geladeira. Onde elamesma, a geladeira, junto com o armário da dispensa, mandam emails para osupermercado entregar os produtos que estão faltando.“Just in time” . Seremos dispensáveis no gerenciamento de nossa casa. Mas,logicamente, seremos necessários para ganhar o dinheiro que mantém tudoisto funcionando....

QR Code – Código de resposta rápida. São códigos de barras bi-dimensionaislidos pelas câmeras de nossos telefones celulares, em out-doors, jornais ourevistas, que nos conectam com o site que produz e/ou vende aquele produto.O Jornal o Estado de São Paulo está testando esta tecnologia.

Você deve estar perguntando :

- E o que tem a ver tudo isto, com a AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES ?TUDO ! Nela está sendo incorporada toda esta tecnologia. E a cada dia maise mais.

Computadores na área de energia elétrica não é nenhuma novidade. Oscomputadores nasceram dentro da indústria de energia elétrica. Nas décadasde 1940 e 1950, ainda como pesquisas. Caríssimos !

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Na década de 1960, já eram utilizados no CAG - Controle Automático deGeração.

A Energia Elétrica, quando gerada tem que ser consumida. O armazenamento

desta energia em pilhas e capacitores é incipiente. Armazenamos grandesquantidades de energia, nas represas de hidroelétricas, nas quais o Brasil érico e líder mundial. Ou na forma de petróleo, a ser queimado quandonecessário nas Termoelétricas. O Pré-sal está aí para tirar os 100 anos deatraso do Brasil em relação aos países centrais. Ou na queima de carvãomineral, muito poluidor com as conseqüências desastrosas do aquecimentoglobal e mudanças climáticas. Ou na fissão átomo de Urânio, nas UsinasTermo-Nucleares.

Uma promessa, para daqui a 50 anos, são as usinas de fusão nuclear. Doisátomos de hidrogênio se fundem, formando hélio e liberando uma quantidadeenorme de energia. É a reação que ocorre no Sol, nossa fonte de calor e vida.Num futuro próximo, toda cidade terá o seu pequeno Sol. Não será maisnecessário transmitir energia a grandes distâncias. As Transmissoras que secuidem. Mas isto é para o futuro

E no presente ?

Toda energia elétrica gerada tem que ser consumida. Se o sistema gerar maisque o consumo, aumenta a freqüência, 60 HZ, aumenta a tensão de 127 Voltsnas nossas tomadas, entram em cena os Relés de Proteção e desligam osistema. Se ocorrer o oposto, menos geração que o consumo, cai afreqüência, cai tensão, entram os Relés de Proteção e desligam o sistema.

Imagine isto acontecendo no Sistema Interligado Brasileiro. Desbalançosresultam em perturbações no sistema elétrico e black-outs. Tudo que queremosevitar.

Até a década de 1970 os computadores, ainda caros, se concentravam nosCentros de Operação.

Na década de 1980 iniciou-se a universalização do seu uso. Houve obarateamento do hardware e software (DOS, Windows, MacOS) e em 1990 oLinux. Os computadores começaram a penetrar em todas as atividadeshumanas .

Na área de Proteção do Sistema Elétrico, tivemos uma geração intermediáriaentre os Relés Eletromecânicos, que funcionavam desde o início da indústriaelétrica, no início do século XX, e os micro-processados, que apareceram nofim da década de 1980 e nos anos 1990. Foram os conhecidos como RelésEletrônicos Estáticos, de vida curta. Desapareceram no final da década de1980. Citamos só para um registro histórico.

Muitos Relés Eletromecânicos funcionam até hoje. É uma tecnologia elegante,similar aos relógios mecânicos. Molas, alavancas, cordas, bobinas eengrenagens. Funcionam corretamente, mas nos dias de hoje não temos mais

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os recursos necessários para efetuar a sua manutenção. Não existem peças dereposição. Não existe mais a mão de obra de relojoeiros. Tudo, hoje em dia, émicro-processado.

Na década de 1990, os Relés de Proteção se tornaram micro-processados.Mas ainda compunham os esquemas de proteção como na tecnologiatradicional, dos eletromecânicos e estáticos. Isolados dos outros sistemas deSupervisão, Controle e Medição. Ainda não estávamos na era das Redes deComputadores.

A revolução que viabilizou as Redes de Computadores, a tecnologia doconjunto de protocolos TCP/IP, também conhecido como pilha, stack ou suíteTCP/IP, tornou-se disponível na década de 1990, também permitiu enfocar aAutomação de Subestações por um outro ponto de vista.

TODOS OS COMPONENTES DA SUBESTAÇÃO, A COMEÇAR PELOS

RELÉS DE PROTEÇÃO, SEGUIDO PELAS UTRS, MEDIDORES DEFATURAMENTO, LOCALIZADORES DE FALTA, REGISTRADORES DEPERTURBAÇÃO, ANUNCIADORES DE ALARME, MONITORAÇÃO PORVIDEO-CÂMERAS, ETC, SE TORNARAM COMPUTADORES EM REDE. E,PARA SIMPLIFICAR, PASSARAM A SER CHAMADOS DE IEDs –INTELIGENT ELECTRONIC DEVICES.

POSSUEM ENDEREÇOS IPS, MAC ADDRESS, UTILIZAM SWITCHES,ROTEADORES, SERVIÇOS TCP, CAMADA DE APLICAÇÃO, ETC.

UMA MUDANÇA RADICAL NOS CONCEITOS DE AUTOMAÇÃO DESUBESTAÇÕES, ONDE A PROTEÇÃO, QUE ESTAVA ISOLADA, FOI

INCLUÍDA NA REDE.O PERFIL DOS PROFISSIONAIS QUE TRABALHAM COM PROTEÇÃO,SUPERVISÃO E CONTROLE, AGORA ENGLOBADOS NA CATEGORIAAUTOMAÇÃO, MUDOU RADICALMENTE. É NECESSÁRIO ALARGAR OESPECTRO DE ATUAÇÃO DESTES PROFISSIONAIS. AGREGAR OCONHECIMENTO COMPLETO DE REDES DE COMPUTADORES. NÃOAPENAS COMO USUÁRIOS, QUE TODOS SOMOS, MAS DE PROJETISTASE MANTENEDORES.

Presenciamos o crescimento explosivo da INTERNET, e das conseqüentesmudanças no nosso comportamento, com Celulares, Emails, Sites, Blogs,

Orkuts, Twiters etc. Há 15 anos atrás não tínhamos estas ferramentas. Evivíamos muito bem. Vá ficar um dia sem celular ou sem verificar seus emails.....

Diante deste turbilhão, a AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES não ficou, nempoderia ficar, imune a mudanças.

Durante a década de 1990, foram publicadas as primeiras propostas,conhecidas como UCA – Utility Communications Architecture, nos EUA, pelo

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EPRI – Electric Power Resarch Institute. E pelo CEPEL – Centro de Pesquisasde Energia Elétrica, no Brasil.

Em 2004 a Norma foi publicada com o título IEC 61850, unificando esforços em

busca de soluções para Automação de Subestações, da América, Europa eÁsia. Ela tem esta conotação muito importante, de ser mundial.

IMPORTANTE. A NORMA IEC61850 MODELOU OS EQUIPAMENTOS DASUBESTAÇÃO. DEIXOU O TRANSPORTE DAS INFORMAÇÕES PARA OTCP/IP, TECNOLOGIA JÁ CONSAGRADA NO MUNDO INTEIRO, ATRAVÉSDA INTERNET.

É natural e necessário um tempo para a absorção desta nova tecnologia pelosengenheiros e técnicos do sistema elétrico de potência. A tecnologia de redesficou disponível na década de 1990, quando já se faziam projetos desubestações há quase 100 anos !! E os profissionais que atuam neste

mercado, já no meio de suas carreiras, já faziam projetos de subestações semutilizar redes de computadores como solução final, há mais de 20 anos.Querem agora que mudemos tudo repentinamente. Calma lá....

Toda grande mudança tecnológica tem impactos e sofre resistência. Exemploscuriosos.

• No início do século XX, os matemáticos previram vida curta para astelecomunicações. Motivo :- Com o aumento do número de usuários, aspossibilidades de conexões cresciam exponencialmente. Não haveriamtelefonistas suficientes e as centrais telefônicas ficariam monstruosas.

• O mesmo foi previsto para os automóveis. Congestionamentos, pois nãohaveriam guardas de trânsito suficientes nos cruzamentos. Esta profeciaainda pode se concretizar... E também, a limpeza pública nãoconseguiria limpar as fezes dos cavalos que puxavam as carruagens,

• Na década de 1980 o presidente da Digital Equipment Corporation, amaior fabricante de computadores científicos do mundo na época (a IBMsempre foi forte em computadores comerciais) afirmava : - Não sei paraque um cidadão possa querer um computador em sua casa ? E diziamais . A Digital não vende computadores. São os clientes que vêmcomprar. Resultado. Foram a falência. Foram comprados pelaCOMPAQ, que por sua vez foi engolida pela HP. É imperiosa a

adaptação aos novos tempos, senão desaparecemos. Seleção naturalde Darwin.

• O próprio Bill Gates. Lançou o DOS para computadores stand-alones,isolados. Não previu que seria um “non-sense” um computador ficar forada rede. No crescimento explosivo da Internet, na década de 1990, onavegador que se notabilizou foi o Netscape, originado na tecnologiaUNIX. O UNIX, hoje também LINUX, foi concebido na década de 1950,nos laboratórios da BELL, nos EUA, já totalmente voltado à REDES DE

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COMPUTADORES. O Bill Gates não é bobo, correu para lançar oInternet Explorer. Êle se adaptou.

• Na revolução industrial inglesa, no século XVII haviam os “LUDISTAS”,

seguidores de LUDD um inconformado com os teares, que aumentavama produção de tecidos mas desempregavam levas enormes deoperários. Eles invadiam as fábricas e destruíam os teares.

Exemplos existem aos milhares na história do desenvolvimento científico dahumanidade. Mas ficamos por aqui.

Hoje, estamos na era da Internet e todas estas maravilhas... Mas, como era há50 anos atrás, no início da automação industrial ?

Necessitamos fazer um breve retrospecto do mercado de equipamentos paraautomação, iniciando nos anos que se seguiram à 2ª guerra mundial.

Até a década de 50, do século passado o problema de energia e dos grandesprocessos básicos já havia sido resolvido. Assim como, as grandes questõesda Elétrica, da Química, da Mecânica e da Metalurgia.

No entanto, apesar de equacionadas, não se conseguia controlar os processosindustriais na velocidade e na intensidade que a nova demanda apresentava.

Nesse momento deflagra-se “a revolução da Automação Industrial” com o usode controladores locais bem como de diversos outros equipamentos e

instrumentos mecânicos, hidráulicos e pneumáticos para em seguida sertotalmente dominada pela eletrônica analógica.

E a partir de 1980, com o microcontrolador, a automação se estabeleceu deforma soberana.

A seqüência foi iniciada pelos atuadores e depois por grandes progressos namedição e no controle remoto, sendo finalmente coroada pela aplicação decontrole em “malha fechada” ou “loop de controle” com o controlador deprocessos centralizado e acionamentos à distância.

Nesse momento duas indústrias totalmente diferentes começaram o processode maneira independente: na manufatura com os controladores programáveis enas indústrias de processo com os sistemas distribuídos de controle, ambasem paralelo com a evolução da automação nos Sistemas de Supervisão ondesurgiram os primeiros padrões de comunicação e Sistemas SCADA paraautomação de Centros de Controle de Sistemas Eletroenergéticos.

O avanço da automação está ligado, em grande parte, ao avanço damicroeletrônica que se deu nos últimos anos onde essa tecnologia invadiu ossetores produtivos das indústrias, e empresas de Energia Elétrica, propiciandoa digitalização da automação.

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Com o aumento da confiabilidade dos computadores, os painéis decontrole, sinópticos e mesas de controle se tornaram mais dedicados.

Com o uso do computador as funções de produção podem ser

incorporadas num sistema computadorizado integrado de forma a auxiliar eautomatizar as operações.

A informatização proporciona um volume de informações gerando umgrande número de dados num curto período de tempo que permanecedisponível aos usuários desses sistemas. Sistemas integrados efetivam umplanejamento adequado ao empreendimento e à produção, no curto e médioprazo.

A crescente necessidade de disponibilizar dados on-line para as outras áreasda empresa, além da utilização de interfaces que permitam ao usuário acessaras informações de qualquer sistema em qualquer local, convergem cada vez

mais para a utilização de um protocolo padrão.Os CLP’s e as Remotas também mudaram, pois tinham que operar em rede.Surgiram CPUs mais genéricas, com maior capacidade de memória, redes decampo mais velozes e linguagens padrão.A linguagem Ladder surgiu antes da criação dos CLP’s e servia paradocumentar gabinetes de relés (neste contexto a palavra relé refere-se aospequenos dispositivos de comutação e lógica, e não aos Relés de Proteção, desobrecorrente, distância, etc, aplicados nos sistemas de energia elétrica). Osrelés foram sendo substituídos pelo CLP que conquistou espaço também notratamento de variáveis analógicas e malhas de controle, mas a linguagem deprogramação Ladder continuou a ser utilizada.

O Ladder continua porque facilita a manutenção e é a linguagem naturaldos eletricistas sendo mais fácil de ser interpretada por gerar menos códigos eocupar menos memória dos CLP’s.

O padrão IEC-61131-3 define cinco linguagens padrão paraprogramação de CLP’s ou remotas industriais.

Com a popularização da tecnologia digital no ambiente industrialnasceram outras ferramentas como os sistemas SCADA que com CLP’s eRTU´s – Unidades Terminais Remotas permitiram o desenvolvimento decomplexos sistemas especializados de supervisão e controle de energiaelétrica.

Já recentemente surgiram os sistemas híbridos, dedicado às aplicaçõescom mais de 1000 analógicas, limite aceito para a aplicação SCADA+CLP. Ossistemas híbridos trouxeram algumas novidades interessantes.

Arquitetura cliente-servidor, troca a quente de cartões, linguagem IEC-61131-3, dicionário de dados único são evoluções que popularizam e ampliama confiabilidade dos sistemas digitais.

Os SDCD’s, (Sistemas Digitais de Controle Distribuído) usados naindustria, com seus irmãos da industria elétrica, SCADA – Supervisory Controleand Data Acquisition, E M S – Energy Managemente System, são

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caracterizados pelos diferentes níveis hierárquicos de comunicabilidade entreuma máquina de estado (RTU, por ex.) e outras IHM´s, foram um dosresponsáveis por abrir caminho para a intercomunicabilidade e futurapadronização de todos os equipamentos de sensoriamento, controle e atuaçãonos mais diferentes níveis. Com o tempo, os SDCDs, SCADAs e E M S,buscam obedecer a padrões de interligação de mercado adotando redesinteligentes e “intercambiáveis”.

Na área de instrumentação usada na indústria de energia elétrica eindustrias de uma forma geral, a revolução se deu mais drasticamente. Eranecessário dotar os instrumentos de mais inteligência e comunicar-se em rede.O padrão 4-20 mA para a transmissão de sinais analógicos tinha que cederlugar à transmissão digital. A princípio foi desenvolvido um protocolo queaproveitava o próprio cabeamento já existente, fazendo transitar sinais ealimentação elétrica sobre sinais analógicos 4-20 mA.

Este protocolo (Hart) não foi mais que um paliativo, embora permaneçaaté hoje em algumas linhas de produtos.

Durante o processo evolutivo surgem novos padrões como ModBus,DeviceNet, Interbus, ASI, na automação industrial; DNP3 e IEC60870-101 naautomação de subestações.

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