Universidade Federal de Minas Gerais

ELT-067 Gestão de Projetos em Controle e Automação

Felipe Rodrigues Pereira Fonseca

ATIVIDADE I - PESQUISA BIBLIOGRÁFICA

1 Tema Escolhido

O tema escolhido como candidato para o Projeto Final de Curso é ‘Novas tecnologiasutilizadas em SCADAS para gerenciamento da rede de energia elétrica’.

No mercado existem ferramentas para gerenciamento de sistemas de energia elétrica,porém para gerenciar com eficiência esses sistemas é necessário o funcionamento de váriasferramentas em paralelo, que por vezes não comunicam entre si, gerando necessidade deoperação isolada. A evolução das tecnologias de comunicação, seja ela entre softwares,seja ela entre equipamentos permite-se a integração de ferramentas para gerenciamentodos sistemas elétricos.

Através dessa integração é possível disponibilizar, por exemplo, um ambiente de trei-namento para operadores do sistema no mesmo ambiente de operação real, possibilitandoa simulação de diversos cenários, consequentemente contribuindo para uma melhor forma-ção da operação. Essa integração de ferramentas possibilita a unificação da base de dados,que pode proporcionar uma análise centralizada e, por conseguinte, mais consistente dosdados, o que pode gerar melhorias nos parâmetros de operação do sistema.

Há também a preocupação crescente com a segurança do funcionamento do sistema.Uma vez que as redes de equipamento se interagem cada vez mais com redes corporativas,as chances de ataques a esses sistemas acompanham essa evolução.

2 Artigos Relacionados

Referências

[1] Cristina Alcaraz. “Secure SCADA framework for the protection of energy controlsystems”. Em: Concurrency and computation 23 (2011), pp. 1431–1442.

[2] Emilio Ancillotti, Raffaele Bruno e Marco Conti. “The role of communication sys-tems in smart grids: Architectures, technical solutions and research challenges”. Em:Computer Communications 36 (nov. de 2013), pp. 1665–1697.

[3] E.P.M. Brown. “Supervisory control and data acquisition (SCADA) reliability andavailability improvement when state estimation and automatic testing are used”.Em: Electric Power Systems Research 12 (fev. de 1987), pp. 71–82.

[4] Edward Chikuni e Maxwell Dondo. “Investigating the security of electrical powersystems SCADA”. Em: AFRICON 2007 (26 de set. de 2007), pp. 1–7.

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[6] K.W. Darkwish, A.R. Al Ali e Rached Dhaouadi. “Virtual SCADA SimulationSystem for Power Substation”. Em: Innovations in Information Technology (18 denov. de 2007), pp. 322–326.

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[8] João Figueiredo e José Sá da Costa. “A SCADA system for energy management inintelligent buildings”. Em: Energy and Buildings 49 (jun. de 2012), pp. 85–98.

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[14] Thomas Strasse et al. “Co-Simulation Training Platform for Smart Grids”. Em:IEEE Transactions on Power Systems 29 (2014), pp. 1989–1997.

[15] Dawei Su e Mingyang Sun. “Design and Realization of Clustering Based Power GridSCADA System”. Em:Modelling Symposium (AMS) (7 de 23 de 2013), pp. 230–234.

[16] Hirofumi Terada, Tsukasa Onishi e Tatsuhiro Tsuchiya. “Proposal of environmentaladaptation for the next-generation distribution SCADA system”. Em: ElectricityDistribution (CICED) (10 de set. de 2012), pp. 1–4.

[17] Ahmad Usman e Saijad Haider Shami. “Evolution of Communication Technologiesfor Smart Grid applications”. Em: Renewable and Sustainable Energy Reviews 19(mar. de 2013), pp. 191–199.

[18] Zita Vale. “Distribution system operation supported by contextual energy resourcemanagement based on intelligent SCADA”. Em: Renewable Energy 52 (2013), p. 143.

[19] Rominus Valsalam, Anish Sathhyan e S.S Shankar. “Distributed SCADA systemfor optimization of power generation”. Em: INDICON 2008. Annual IEEE 1 (11 dedez. de 2008), pp. 212–217.

[20] Yichi Zhang, Lingfeng Wang e Yingmeng Xiang. “Power grids reliability Appraisalwith intrusionTtolerant Capability in SCADA Systems”. Em: Power System Tech-nology (POWERCON) (20 de out. de 2014), pp. 2025–2030.

3 Artigos Selecionados

Os 20 artigos relacionados ao assunto seguiram algumas premissas. Foram selecionadosartigos que abordam os seguintes itens:

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∙ Importância e utilidade dos Softwares SCADA para sistemas elétricos,

∙ Tecnologias de comunicação utilizadas nesses sistema,

∙ Tratamento da segurança e vulnerabilidade dos sistemas,

∙ Inovações e Estudos de casos.

Os 5 artigos principais foram selecionados de forma a abordar de forma mais com-pleta possível os itens mencionados anteriormente. Além disso, a data de publicação dodocumento, bem como o foco maior no sistema SCADA, em detrimento dos detalhes dosistema elétrico em si, foram considerados na escolha.

São esses os artigos selecionados: [11], [17], [5], [10] e [15].

3.1 Utility of SCADA in Power Generation and Distribution Sys-

tem

A crescente demanda por energia, bem como a necessidade de preservação do meioambiente e dos recursos naturais, requer o aumento da utilização de fontes de energiasrenováveis e a distribuição da geração. O sistema energético atual é frágil devido a fa-lhas de regulamentação. Para lidar com esse cenário, busca-se novas infraestruturas ecomponentes inteligentes para os sistemas de energia.

Sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), são sistemas utilizadospara controle de plantas industriais. Esses sistemas consistem na troca de dados entre umamáquina central, comanda por um operador, e dispositivos como CLPs e RTUs (RemoteTerminal Units). É possível a operação desses sistemas através de máquinas remotas, bemcomo é possível controlar processos espalhados ao longo de várias localidades.

Como os administradores de sistemas SCADA são responsáveis pela proteção e manu-tenção do que gerenciam, há a preocupação com o rigor das avaliações de vulnerabilidadee com o aumento da segurança do sistema.

Um exemplo simples de arquitetura de um sistema SCADA para sistemas elétricos, évisto na figura 1a.

(a) Arquitetura Básica de um SCADA para áreaelétrica

(b) Exemplo de Anel de uma rede de energia

Figura 1: (Retirado de [11] pp 2)

Para manter um fornecimento ininterrupto de energia a baixo custo, toda a geraçãodeve estar em sintonia com o consumo. Todo esse controle é feito pelo SCADA.

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Para simular essa situação foi projetado um PGDS (Power Generation and DistributionSystem), que consiste de três unidades geradores (Hídrica, Térmica e Solar) com potênciamáxima de 50MW cada, e 5 consumidores, que possuem juntos um consumo máximode 125MW. Todos são conectados em uma rede em anel, como mostra a figura 1b. Issopermite que a falha em um ponto não afete outros pontos. Cada planta de geração écomposta de uma combinação entre um motor e um gerador.

Foram utilizados dois softwares da fabricante Rockwell. RSLogix500, que é o softwaredo PLC, e o RSView32, que é o software SCADA. No primeiro, foi programada a lógicade leitura e atualização de variáveis de consumo, geração, acionamento e desligamentodas plantas de acordo com o estado das variáveis de processo, como por exemplo, nívelde água no reservatório, intensidade solar, temperatura ambiente, etc, bem como pararesponder a algum comando do SCADA. No segundo, foi feita a interface gráfica para queo operador visualize o estado corrente das variáveis, como carga consumida, tempo deexecução das plantas, bem como possa efetuar comandos de acionamento e desligamentodas plantas.

A lógica de funcionamento do sistema consiste na aquisição dos dados da planta atravésdos sensores, e da constante comparação entre os valores de setpoint. São avaliados,nível da água, temperatura ambiente (ou seja, nível solar) e nível de consumo exigido.Através dessas comparações, o SCADA decide quais os sistemas devem ser ligados edesligados, enviando a decisão para o PLC efetuar o devido acionamento. Monitorando ofuncionamento do sistema durante um dia, obtêm-se os dados vistos na figura 2

Figura 2: Estado de operação das plantas(Retirado de [11] pp 4)

Os testes mostraram o sistema SCADA como fundamental no processo de gerencia-mento do suprimento energético, visto que através dele foi possível determinar automati-camente, o acionamento das matrizes energéticas, fazendo com que elas ficassem o menortempo possível em acionamento, o que reduz o custo da energia.

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3.2 Virtual SCADA Simulation System for Power Substation

Sistemas SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) são ferramentas impor-tantes no gerenciamento eficiente de sistemas de energia, e por isso saber operá-lo da me-lhor forma possível é importante. Treinar operadores diretamente no sistema em temporeal é um processo complicado e perigoso, podendo gerar interrupções no fornecimentode energia, entre outros casos. Além disso, requer permissões especiais para acessar osistema, depende da disponibilidade de equipamentos, etc.

Para facilitar esse processo foi desenvolvido um sistema virtual (V-SCADA) que simulacom propriedade um sistema elétrico, e que disponibiliza aos operadores, possibilidades defazer todos as operações possíveis em um sistema real, porém sem os entraves descritos.Através do V-SCADA é possível gerar os mais diversificados cenários que podem ocorrerem um sistema real, possibilitando o treinamento qualificado dos operadores. É possívelaprender as manobras corretas a se fazer em determinada a situação, bem como conhecermuitos cenários, entre outros benefícios, de forma a proporcionar uma operação maissegura do sistema real.

O primeiro passo é modelar o que vai ser simulado na aplicação virtual. Em relação afalhas de rede, decidiu-se simular faltas entre fases, faltas entre fase e terra e sobrecargade transformadores.

Parte do sistema elétrico em questão consiste de 5 subestações de distribuição abai-xadoras de tensão (33/11KV 15MVA) interligadas em anel. Cada uma das subestaçõesconsistem dos principais equipamentos característicos, tais como disjuntores, relés de pro-teção, transformadores, transformador auxiliar e fonte CC(Corrente Contínua). Partedessa descrição podem ser vistas na figura 3.

(a) Conexão das 5 subestações abaixadoras (b) Modelo unifilar de uma subestação

Figura 3: (Retirado de [17] pp 2)

A discussão sobre o funcionamento dos equipamentos faz parte do treinamento. Osistema virtualizado possuem as mesmas características de um sistema geral, como porexemplo, login de usuários, comando de disjuntores, exibição de medidas, escritas emsetpoints, visualização e reconhecimento de alarmes, etc. Os exercícios de treinamentoem uma subestação consistem em aplicar as técnicas corretas de comando de equipamentosdiante de determinado cenário, bem como reconhecer e analisar os alarmes gerados.

Nos exercícios de operação da subestação, o usuário aprende a sequência correta paraenergizar o transformador, que consiste dos passos descritos na figura 4. O usuário verificase está seguindo corretamente os passos através das verificações dos alarmes e variáveisdo sistema.

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Figura 4: Estado de operação das plantas(Retirado de [17] pp 4)

Nos exercícios de localização da falhas, separam-se as falhas para os barramentos de 33e 11KV. Para o primeiro, o exercício consiste em apenas movimentar um slider e observar aresposta do sistema. Será gerado um alarme quando a tensão do barramento ultrapassar oslimites máximo ou mínimo. Para o segundo, deve-se alterar as correntes dos alimentadoresde 11KV; por conseguinte a corrente do transformador será alterada. Quando esta atingirum valor muito alto, será gerado um alarme de sobrecarga do transformador. Da mesmaforma, é simulado alarmes de falhas nos disjuntores de distribuição (alimentadores de11KV).Observa-se a tela de operação na figura 5

Figura 5: Estado de operação das plantas(Retirado de [17] pp 3)

Todos os valores de detecção de alarmes podem ser configurados e são itens de apren-dizado no treinamento. O usuário entende o porquê da aplicação daqueles valores para ocenário atual, o que lhe permite extrapolar o conhecimento para outros sistemas.

Durante as simulações questões como o reset remoto de relés de proteção e classificaçãode proteções são abordadas para enriquecer a experiência do usuário.

Confirma-se que um SCADA Virtual é útil no treinamento de operadores, bem comointeressante ferramenta para mostrar um pouco da realidade para estudantes. Permite-sepraticar as operações principais, livres das limitações impostas pelo mundo real.

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3.3 Infusing SCADA Software with Real-Time Power Manage-

ment Systems

Sistemas SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) estão em crescente evo-lução dentro da industria energética. Contudo, atualmente os SCADAs estão preparadospara diagramas elétricos estáticos e geralmente não possuem interconectividade entre in-formações. Para implementar alguma dinamica dentro de SCADAS é necessário scriptscomplexos, o que dificultaria a manutenção da aplicação e aumentaria as horas de desen-volvimento.

Softwares RTPMs (Real-Time Power Management) consistem em exibir estados deautomaticamente, baseado nas informações obtidas através da interconectivdade entreos equipamentos. É capaz de estimar parâmetros da rede, quando essa informação nãoestiver disponível. A sua concepção se adequa para permitir fácil expansão do sistema.Um RTPM deve consistir dos seguintes módulos:

∙ Diagrama Unifilar Inteligente,

∙ Monitoramento Inteligente,

∙ Simulador Online Preditivo,

∙ Reconstrução de Cenários,

Por diagramas inteligentes, entende-se um conjunto formado por um processador to-pológico, isto é, uma ferramenta que anima automaticamente a interface, sinalizado oestado dos componentes e barramentos através dos dados obtidos em tempo real, e tam-bém um diagrama que possibilita fácil acesso a todos a informações e configurações dosequipamentos da rede.

Monitoramento Inteligente consiste em armazenar e monitorar informações essenciaisao sistema. Existem informações de equipamentos cuja medição seria trabalhosa, não jus-tificando o investimento. Ao invés disso o sistema deve ser capaz de estimar os parâmetrosdaquele ponto através de uma técnica chamadaState and Load Estimator. As métricasde manutenção para esses equipamentos seriam feitas de acordo com as informações esti-madas, o que diminui os custos de implementação. Faz parte da inteligência do softwaredeterminar se o dado recebido faz sentido de acordo com as leis elétricas, ou seja, se odado converge.

RTPMs também devem prover ferramentas de simulação para treinar os operadores,ambientá-los ao ambiente de trabalho. Nos ambientes de simulação são vistas as situaçõescomuns de trabalho a fim de evitar ações não planejadas que podem acarretar problemasno futuro. Os simuladores devem compreender a maioria das manobras feitas no sistemareal a fim de passar a máxima verossimilhança.

Tornar possível a reconstrução de um cenário de falha é um requisito importante paraRTPMs. Através dessa reconstrução, permite-se uma revisão e análise completa sobre osistema, permitindo a localização precisa de problemas, possibilitando propor alternativasde ações corretivas para prevenir uma nova ocorrência dessa falha. Essa reconstruçãoconsiste de todo o estado do sistema (medidas, comandos do operador, etc). Evitar novasfalhas, representa economia como mostra a figura 6.

O nível mais avançado desses sistemas consiste em fornecer ferramentas de otimizaçãode parâmetros em tempo real, para minimizar perdas (por potência reativa, por exemplo)picos de consumo, etc.

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Figura 6: Estimativa de perda de produção por hora parada

Controle de todo o processo através de um acesso pela internet são fornecidos por essessistemas. Obviamente, deve ser implementado um sistema de controle de acesso para quenão haja acessos não autorizados o que poderia representar um grande problema para osistema.

Caso ocorra sobrecarga do sistema, ou seja, alguma matriz geradora saia do funci-onamento, o sistema deve ser capaz de descartar cargas de acordo com uma ordem deprioridade previamente definida. Essa técnica é chamada de Load Shedding(Descarte deCargas). Um algoritmo de descarte mais avançado é baseado em redes neurais, o quelhe permite aprender e se adaptar em tempo real fornecendo um controle adaptativo. Aaplicação desse algoritmo traz muitos benefícios como testar cenários, reduzir tempo dechaveamento para cargas críticas, etc. O diagrama de bloco que ilustra esse algoritmopode ser visto na figura

Figura 7: Diagrama de Bloco de um Algoritmo de Descarte Inteligente

As ferramentas descritas quando implementadas dentro de um SCADA convencional,tornando-os potentes RTPMs, traz muitos benefícios, seja do âmbito técnico, seja doâmbito econômico. Com a crescente demanda por operação eficiente e baixo custo, aaplicação desses conceitos torna-se altamente recomendada.

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