VIRTUAL SUBSTATION Um sistema de realidade virtual para treinamento de operadores de subestaes eltricas.

Reginaldo Costa Silva Universidade Federal de Uberlndia

UFU Uberlndia, MG

reginaldo@iftm.edu.br

Edgard Lamounier Universidade Federal de Uberlndia

UFU Uberlndia, MG

lamounier@ufu.br

Alexandre Cardoso

Universidade Federal de Uberlndia UFU

Uberlndia, MG alexandre@ufu.br

Abstract This study presents a proposal for an electrical substation simulator built with virtual reality technology called Virtual Substation. This system aims to reduce the time spent in training new substation operators and provide a greater gain in learning, since it will allow a less theoretical operation of a real substation. Within the simulation, the student can interact with a console screen for a traditional supervisory system and check how this interaction interferes with the components of a substation represented in 3D, without exposing his life to dangers inherent in crisis situations or to provide injury of any kind. In addition, training sessions can be retrieved later for analysis by an instructor.

Keywords: virtual reality, electrical substations, training

Resumo Este trabalho apresenta a proposta de um simulador de subestao eltrica construdo com a tecnologia de realidade Virtual chamado Virtual Substation. Atravs deste sistema pretende-se diminuir o tempo gasto na formao de novos operadores de subestao e proporcionar um maior ganho de aprendizagem, uma vez que ele possibilitar uma viso menos terica do funcionamento de uma subestao real. Dentro da simulao, o estudante poder interagir com uma tela do console de um sistema supervisor tradicional e verificar de que forma essa interao interfere com os componentes de uma subestao representada em 3d, sem expor sua vida a perigos inerentes a situaes de crise ou proporcionar prejuzo de qualquer espcie. Alm disso, as sesses de treinamento podem ser recuperadas posteriormente para anlise por parte de um instrutor.

Palavras-chave; realidade virtual, subestaes eltricas, treinamento

INTRODUO Desde o momento em que gerada nas usinas

hidreltricas ou nucleares at chegar s casas, a energia eltrica percorre um longo caminho. Ela passa por vrios

subsistemas onde transformada e retransmitida de forma segura e com o mnimo possvel de perda.

As Subestaes Eltricas (SEs) so uma parte importante deste sistema.

No sistema eltrico brasileiro atual existe uma diversidade muito grande de subestaes eltricas. Cada uma delas foi projetada para se adequar geografia e s necessidades energticas de uma determinada regio. Outro fator importante que o custo para construir e manter uma SE bastante elevado chegando casa dos milhes de reais e sua operao exige um profissional altamente especializado, cujo treinamento pode demandar muitas horas. No raro que o aspirante a operador de Subestao tenha que se deslocar geograficamente, pois so poucos os locais que oferecem esse tipo de aprendizado. Tudo isso contribui para tornar o nmero de pessoas aptas a realizar este tipo de operao bastante reduzido.

Essa variedade de projetos de Subestao e o seu alto custo envolvido na construo de uma mquina que simule o funcionamento de cada uma delas, fazem com que a tecnologia de Realidade Virtual (RV) se mostre uma alternativa altamente flexvel e, acima de tudo, barata.

A RV uma interface avanada do usurio para acessar aplicaes executadas no computador, propiciando a visualizao, movimentao e interao do usurio, em tempo real, em ambientes tridimensionais gerados por computador. O sentido da viso costuma ser preponderante em aplicaes de RV, mas os outros sentidos, como tato, audio, e outros tambm podem ser usados para enriquecer a experincia do usurio. [1].

A simulao proposta tentar ser a mais fiel ao mundo real e espera-se que, atravs dela, o operador treinee seja submetido a situaes as mais diversas possveis, inclusive aquelas que apresentam crises e risco de vida, o que no seria possvel num treinamento convencional. Dentro do ambiente virtual, ele poder errar vrias vezes e estes erros podem ser registrados no sistema e depois analisados pelo supervisor do

treinamento, para que o conhecimento do estudante possa ser complementado se necessrio, e o sistema aperfeioado.

A simulao que ser desenvolvida do tipo no-imersiva, pois usurio poder utiliz-la em um computador ou dispositivo mvel, no privando completamente seus sentidos da interao com o mundo real, como aconteceria por exemplo se usasse um HMD ou uma CAVE.

Outro ponto a favor dos sistemas de RV a facilidade com que eles podem ser utilizados em Ensino a Distncia. Normalmente, a maioria das tecnologias de RV semi-imersivas permite a execuo dos ambientes virtuais em navegadores de internet, necessitando-se para isso apenas da instalao de plug-ins.

Aplicaes como o ArqElectrical [4], o MineInside[5], o RVCOPEL[6] e os simuladores Furnas 01[7] e 02[8] so exemplos claros de como essa tecnologia tem sido bem utilizada em treinamentos. O grande diferencial que se pretende alcanar com Virtual Substation em relao a estas aplicaes o fato de que ele possa rodar em ambientes computacionais diversos, no ficando preso a nenhuma plataforma ou arquitetura em particular.

O ArqElectrical descrito em um sistema de treinamento proposto inicialmente para que alunos da faculdade de Engenharia Eltrica possam compreender melhor de que forma acontece o planejamento de uma instalao eltrica residencial. Para tanto, ele capaz de ler a planta arquitetnica de uma residncia em 2D e exibi-la simultaneamente em 2D e 3D para que o aluno de Engenharia Eltrica construir o projeto eltrico de uma residncia. Sua maior vantagem a possibilidade da visualizao two-way do que est sendo projetado. Suas maiores deficincias so o fato de no possibilitar o salvamento dos dados do projeto em banco de dados e sua execuo ser restrita a ambiente desktop.

O projeto RV-COPEL tem por objetivo o desenvolvimento de um Ambiente Virtual para o treinamento de atividades de manuteno em linha viva, utilizando as tcnicas de RV combinada com interfaces inovadoras (no caso um joystick Wii Remote). Como pontos fortes, o RV-COPEL apresenta a interao com o ambiente 3d de forma mais natural, ao usar o joystick ao invs do tradicional mouse e a comunicao com SGDB. Seus pontos fracos so o fato de mostrar apenas a visualizao 3d da simulao e o fato de estar atrelado a apenas uma plataforma computacional.

O MineInside no um simulador e sim uma interface 3d para controlar o funcionamento de uma mina. Trata-ase de uma plataforma de RV que permite ao operador ter uma viso completa de toda o processo de minerao, de forma interligada com outros softwares, e mostra a operao de minerao em uma tela em tempo real. Segundo seus idealizadores o ambiente ajuda, inclusive a reduzir o tempo ocioso do maquinrio, o que acaba por tornar mais eficiente o processo como um todo, alm de tornar a operao mais segura. Seus pontos fortes so a interface, que possibilita duas formas de interao com caminhes, tratores e outros maquinrios da mina: 2d e 3d. Seu ponto fraco estar disponvel apenas em ambiente desktop.

O primeiro simulador Furnas, reproduz com a maior fidelidade possvel o ambiente de trabalho dos operadores e o Sistema de Superviso e Controle dos Centros de Operao da empresa.Para cada seo de simulao deve existir tambm a figura de um instrutor que seria responsvel por criar os cenrios que deveriam simular as manobras realizadas pelo operador nas situaes e atuaes de proteo que tambm so de responsabilidade do mesmo. Os projetistas do sistema tinham em mente que este treinamento realizado poderia se basear em situaes hipotticas, ou, poderia reproduzir situaes reais passadas, que seriam recuperadas do banco de ados do Sistema Supervisrio. Da uma grande preocupao da equipe em manter uma total compatibilidade entre a base de dados do simulador e as bases dos Centros de Operao. As limitaes deste sistema o fato de estar atrelado a um tipo de hardware especfico e no apresentar visualizao 3d do processo, apenas a tela do sistema supervisor.

O segundo simulador Furnas descrito em uma evoluo do primeiro. Assim como seu sucessor, ele tambm foi criado com o intuito de formar novos Operadores de Usinas ou Subestaes. A mudana radical na forma como o estudante interage com a interface fez com que ela merecesse um estudo em separado.Com o intuito de reproduzir o mais fielmente o ambiente de trabalho do operador, sua rea de treinamento conta com um terminal telefnico, rdio intercomunicador e dependendo da configurao da Estao a ser virtualizada, podem ser necessrias at duas estaes de trabalho. Toda as reaes do treinando so gravadas atravs de uma cmera IP, alm de toda a comunicao via rdio, telefone e sons ambientes. Esta aplicao permite reproduzir a interao do Treinando com um painel eltrico 3d e representa de forma realista, o ambiente de uma Sala de Controle, seus equipamentos, e seus componentes para proporcionar a um indivduo a experincia de interagir de forma absolutamente segura com os punhos e botes em um painel eltrico virtualizado, facilitando a ele adquirir percia na utilizao deste tipo de interface de controle. O controle desta simulao tambm realizado atravs de um controle do tipo Wii Remote. Assim como a aplicao anterior, esta tambm est restrita a um uma plataforma computacional.

O SISTEMA PROPOSTO

Funcionamento de uma subestao eltrica Os sistemas de controle de processos industriais podem

ser representados por dois nveis estruturais: Acionamento de comandos, aquisio, adaptao e

isolamento de sinais eltricos; representa a parte que entra em contato com os equipamentos do universo sob controle;

Superviso e controle: representa a interao com os usurios e a tomada de decises; [9]

Este tipo de sistema conhecido na engenharia eltrica pela sigla SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition Controle Supervisrio e Aquisio de Dados).

Figura 1.Tela do sistema SCADA usado na usina hidreltrica de Igarapava

Um sistema SCADA para distribuio de energia eltrica tpico uma estrutura do tipo ponto-a-ponto com arranjo na forma de estrela do tipo mestre-escravo. Ele possui Unidades Terminais Remotas (UTRs), que interagem diretamente com sensores e atuadores ligados aos equipamentos eltricos. Os UTRs capturam informaes da planta eltrica e enviam por meio de canais seriais para estaes centrais que ficam em centros de operao regionais. As estaes possuem terminais onde os operadores podem interagir com o sistema, atravs de comandos. Os comandos dos operadores e mesmo aqueles gerados automaticamente pelo sistema so repassados para os UTRs que fazem com que esses comandos influenciem a planta eltrica.

Um sistema SCADA organizado num estrutura hierrquica, isso significa que, o operador de subestao s tem autonomia para realizar um nmero limitado de operaes na subestao (por exemplo ligar e desligar chaves seccionadoras) . J operaes crticas (como desligar uma linha de transmisso da subestao por exemplo), ele ter que solicitar ao nvel hierrquico superior, que decidir ou no por enviar o comando de desligamento. Na figura 01 vemos a tela de um sistema SCADA real, usado na usina hidreltrica de Igarapava, SP.

Como todo sistema de rede computacional, o sistema SCADA tambm est sujeito a falhas e atrasos de transmisso e o operador tambm pode se dirigir ao equipamento e manobra-lo atravs de controles fsicos (botes e rels) anlogos aos existentes no sistema supervisrio, o que raramente acontece.

O virtual Subestation Dada a complexidade de um arranjo de subestao e o

fato de que muitas vezes o centro de controle pode se localizar geograficamente longe da subestao, muitas vezes pode ser difcil para o operador enxergar qual o impacto que determinado comando usado no terminal do sistema supervisrio pode ter no sistema como um todo. Nesse ponto o VIRTUAL SUBSTATION ajudaria nesse processo, fazendo com que a compreenso do operador em treinamento sobre a subestao com a qual vai trabalhar seja maior.

Isso ser possvel atravs da funcionalidade de two-way, que a comunicao bidirecional entre projetos 2D e 3D. A manipulao de objetos em um ambiente simultaneamente refletido no outro. [10]

Num canto esquerdo inferior da tela, o operador ver o terminal do sistema supervisrio e ele responder aos mesmos comandos que o sistema real. No restante da tela, ele ver maior o modelo 3D da subestao.

Se o operador decidir, por exemplo, abrir uma chave seccionadora, ele ver na imagem 3D a chave sendo aberta, e poder acompanhar no terminal do sistema quais os impactos que isso tem nos indicadores do sistema.

Figura 2. Prottipo de tela para o Virtual Substation

Todos os passos desde que o operador comeou a utilizar o sistema so persistidos no Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGDB). No primeiro prottipo ser usado um banco de dados MySQL, mas em verses posteriores a ideia que o ambiente virtual seja capaz de se comunicar com o banco de dados dos sistema SCADA, e futuramente, servir como interface para controlar uma subestao real. Na Figura 02 mostrada um prottipo de tela do Virtual Substation.

Posteriormente, o instrutor responsvel pelo treinamento deste operador pode recuperar esse registro passo a passo e verificar como o operador se comportou, verificando quais pontos do aprendizado podem ser otimizados e elucidados para que ele no cometa os mesmos erros ao manipular uma subestao real.

Para atender a todas essas necessidades, o Virtual Substation deve ser capaz de:

Simular comportamentos de componentes eltricos presentes em subestaes de transmisso de energia eltrica reais, a partir de padres de tais componentes;

Permitir a interao dos aprendizes com tais componentes, de tal forma a propiciar sesses de treinamento dos mesmos na operao e na manuteno;

Armazenar os passos realizados pelos aprendizes durante sesses de treinamento, em um banco de dados, de forma a permitir a avaliao e o aprimoramento do treinamento na operao de sistemas;

Oferecer a possibilidade de visualizao two-way; Ser executado em plataformas computacionais

diferentes. No caso do sistema Virtual Substation, sero priorizados os ambientes web e desktop, e posteriormente verses para o sistemas operacionais Android - que roda numa infinidade de smartphones e tablets disponveis no mercado e iOS presentes nos populares tablets e smpartphones da empresa Apple.

MATERIAIS E MTODOS A construo de um ambiente virtual que atenda s

necessidades mencionadas no item anterior um processo demorado. Desta forma, deve ser dividido em diversas etapas menores. Por isso, estabeleceram-se as seguintes metas:

1. Buscar aplicaes correlatas e levantar pontos forte determinar qual a real contribuio do simulador em relao s ferramentas j existentes.

2. Apurar quais tecnologias existentes podem ser usadas na construo de ambientes virtuais e determinar qual ou quais so adequadas para construir o simulador;

3. Fazer levantamento sobre as caractersticas de um bom sistema de treinamento em RV;

4. Realizar levantamento de requisitos sobre os componentes de uma SE e determinar como se d a interao entre eles;

5. Verificar-se qual a melhor metodologia para a construo da simulao (rede de petri, diagrama de lora, etc.)

6. Buscar aplicaes correlatas e levantar pontos fortes e fracos de cada uma delas;

7. Realizar a modelagem geomtrica e lgica da simulao

8. Validar a simulao junto a operadores j treinados do sistema nacional.

No momento da escrita deste artigo, j foram completadas as etapas 1 e 2.

A. Caractersticas do Virtual Substation Na etapa 1, aps analisar um conjunto de aplicaes

correlatas, verificou-se que o Virtual Substation deve ter as seguintes caractersticas:

Suporte a Two-way; Comunicao com SGDB; Capacidade de se executar a simulao em mais de

um ambiente computacional

B. Tecnologia escolhida para a criao do ambiente virtual Na etapa 2 partiu-se para determinar qual das inmeras

tecnologias e linguagens disponveis no mercado poderiam ser usadas para construir o Virtual Substation.

Foram analisadas as seguintes ferramentas: VRML((Virtual Reality Modeling Lnaguage)[11], PAPERVISION[12], UNITY 3D[13] e JAVA FX[14].

Todas as tecnologias analisadas possuem a capacidade de criar mundos virtuais, formados por formas 3D nos quais o usurio capaz de navegar em primeira pessoa como se estivesse em um cenrio real. Todas as ferramentas analisadas permitem essa modelagem.

Para realizar esta avaliao, foram usados os seguintes critrios:

Motor de fsica: O ambiente virtual deve ter um comportamento bastante semelhante de uma subestao real, isso significa que ela estar sujeita a foras como massa, gravidade, velocidade e frico.

Linguagem de programao: A possibilidade se trabalhar com uma linguagem mais conhecida ajudaria a poupar tempo e padronizar o desenvolvimento em equipe;

Importao de objetos criados em ferramentas externas: A tarefa de modelagem geomtrica extremamente demorada e complexa. Normalmente feita se softwares externos como 3D Max ou Blender e a possibilidade de comunicao com modelos gerados por essas ferramentas agilizaria esta etapa;

Conexo com SGDB: Conforme j foi mencionado, o que for realizado dentro do ambiente virtual precisa ser persistido e recuperado posteriormente. Ferramentas como VRML no oferecem essa possibilidade nativa, j ferramentas como Papervsion, Unity 3d e Java sim.

Mobilidade: Outro critrio em que VRML deixa a desejar, pois ainda no existem plug-ins dessa linguagem para tablets e smartphones.

Gratuidade: O custo do software poderia inviabilizar o projeto, ento se optou por softwares gratuitos ou que tivessem verso gratuita, mesmo com menos recursos.

A opo escolhida foi o Unity 3d, por enquadrar-se melhor em todas essas caractersticas. Embora que, das ferramentas que foram analisadas, ela seja a nica paga, possui uma verso gratuita com todos os recursos para a construo de uma interface two-way capaz de realizar a persistncia das informaes em banco de dados.

Na tabela 01 pode-se observar um resumo do estudo realizado junto s tecnologias e os recursos presentes e ausentes em cada uma delas.

CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS No momento da escrita deste artigo, est sendo realizado

o levantamento de requisitos para construo do Virtual Substation. Ser modelada e programada uma subestao,

que servir de piloto para a construo de outras posteriormente.

A metodologia para a construo do modelo lgico da subestao ser decidida em grupo por toda a equipe envolvida no projeto e ser usada tambm em todas as outras subestaes que forem construdas.

Posteriormente, sero realizadas a modelagem geomtrica e a programao da simulao, para posterior validao junto a operadores de subestao.

REFERNCIAS [1] R.A. SISCOUTTO and C. KIRNER, Cludio. Fundamentos de

Realidade Virtual e Realidade Aumentada. Realidade Virtual e Aumentada: Uma Abordagem Tecnolgica, Joo Pessoa Pb, n. , p.1-20, 13 maio 2008

[2] A. L. SILVA, o uso do paradigma restries geomtricas para apoio a projetos de instalaes eltricas. Uberlndia - MG: Universidade Federal De Uberlndia, 2006. 162 p.

[3] D. R. Coelho, R. R. Coelho and A. Cardoso, Use of Virtual Reality in process control in a mine in Brazil a case study. Anais do XIII Symposyum on Virtual and Augmented Reality, Uberlandia, MG, p.1-3, 23 mai, 2011.

[4] T. BURIOL et al, Proposta de Plataforma Baseada em Realidade Virtual Para Treinamento de Atividades em Linha Viva. In: Proposta de Plataforma Baseada em Realidade Virtual Para Treinamento de Atividades em Linha Viva, 2009, Bzios, RJ. Anais do 30 CILAMCE, 2009.

[5] C.A. FERRARA et al, Experincia de Furnas no desenvolvimento e utilizao de um simulador de treinamento para os centros de operao. Anais do Viii Simpase: Simpsio de Automao de Sistemas Eltricos, Rio de Janeiro - Rj, n. , p.1-11, 09 ago. 2009.

[6] A. A. S. ALVES and E. M. RIBEIRO JNIOR, desenvolvimento de metodologia para aperfeioamento de operadores atravs da imerso em ambiente de simulao. Anais do Ix Simpase: Simpsio de Automao de sistemas Eltricos, Curitiba - Pr, n. , p.1-8, 14 ago. 2011.

[7] C.C BRAGA, Estudo do jade e do cim no contexto de um sistema SCADA. Curitiba: Universidade Tecnolgica Federal Do Paran, 2006.

[8] A. L. SILVA, O uso do paradigma restries geomtricas para apoio a projetos de instalaces eltricas. Uberlndia - Mg: Universidade De Uberlndia, 2006.

[9] V. MARTINS, Realidade virtual em educao: Criando objetos de aprendizagem com VRML. Colabor@: A Revista Digital da CVA-RICESU, Rio de Janeiro, v. 4, n. 15, p.1-11, 01 set. 2007. Semestral.

[10] J. WINDER, P. TONDEUR, Papervision3D Essentials: Create interactive Papervision3D applications with stunning effects and powerful animations. Birmingham: Packt Publishing Ltd., 2009. 428 p.

[11] W. GOLDSTONE, Game Development Essentials: Build fully functional, professional 3D games with realistic environments, sound, dynamic effects, and more!. Birmingham,: Packt Publishing Ltd., 2009. 316 p.

[12] J. CLARKE, J. CONNORS and E. BRUNO, Java FX: Desenvolvendo Aplicaes de Internet Ricas. Rio de Janeiro: Alta Books, 2010. 324 p. (Java Direto da Fontes).

TABELA 1 FERRAMENTAS ANALISADAS

Ferramenta Critrios de avaliao

Motor de fsica

Linguagens de Programao Suportadas

Importao de objetos criados em ferramentas

externas

Conexo com SGDB

Mobilidade Gratuidade

VRML JAVASCRIPT PAPERVISION ACTION SCRIPT

UNITY 3D JAVASCRIPT, C#,

BOOL

JAVA FX JAVA