AS VANTAGENS DA TERMOGRAFIA CONTÍNUA E REMOTA

CONTEXTUALIZADA NO PROCESSO DE DESASSISTÊNCIA DE

SUBESTAÇÕES

Gabriel Gandra

FURNAS

RESUMO DO ARTIGO:

O objetivo deste artigo é estudar a viabilidade da adoção da tecnologia de

monitoramento real e térmico, de forma contínua e remota, dos ativos de energia em

subestações.

Neste estudo apresentamos soluções existentes no Brasil, verificando a viabilidade

econômica da aplicação da tecnologia em uma das subestações de empresa de

transmissão de energia do sudeste e a capacidade da tecnologia de suprir as

necessidades advindas da assistência remota de instalações, mantendo a qualidade

do serviço e confiabilidade do sistema.

É apresentado estudo do retorno de investimento da aplicação da tecnologia e ainda

comparativo entre os fabricantes e executantes da tecnologia. São apresentados

também características e resultados em instalações monitoradas em fase de testes.

PALAVRAS-CHAVE:

Termografia, Termovisão, Operação, Assistência remota, Desassistência, Automação,

Subestação, Monitoramento, Visão computacional, Teleassistência

AS VANTAGENS DA TERMOGRAFIA CONTÍNUA E REMOTA

CONTEXTUALIZADA NO PROCESSO DE DESASSISTÊNCIA DE

SUBESTAÇÕES

1. INTRODUÇÃO

A operação do sistema elétrico e suas subestações foi executada localmente durante as

décadas iniciais de sua história.

Ao longo do tempo, com os avanços de telecomunicações, automação e controle, tornou-se

possível a operação cada vez mais centralizada e remota sobre estes ativos.

A demanda por uma operação mais moderna aumentou também em função da expansão e

territorial e interiorização do sistema eletro energético, que exige instalações em regiões cada

vez mais remotas, de difícil logistica ou localizadas em áreas de risco.

Criou-se, então, espaço para novas tecnologias de monitoramento remoto que permitam a

desassistência local mantendo a qualidade do serviço e confiabilidade do sistema.

Contudo a assistência remota de instalações ainda enfrentam alguns desafios técnicos:

1. Verificação do estado (aberto ou fechado) das seccionadoras.

2. Detecção de anomalias físicas na subestação.

3. Realização de procedimentos preditivos frequentes (ex. termografia).

Este trabalho visa estudar a viabilidade técnica e econômica do monitoramento real e térmico,

de forma contínua, com aplicação de técnicas de visão computacional e automação, como

forma de subsidiar a operação remota de subestações.

2. ENTENDIMENTO ATUAL

Levantamos a existência de subestações, sob o referido monitoramento, em 2 subestações no

Brasil, nos estados de Minas Gerais e Rio de Janeiro. Todas em fase de testes ou estudos e já

funcionando fisicamente.

Estudamos as características principais e entrevistamos o responsável pela operação da

subestação com a pergunta “Qual é a sua opinião sobre a viabilidade técnica e econômica do

monitoramento térmico e real através de câmeras, quando da aplicação de técnicas de visão

computacional, para manter a qualidade do serviço e confiabilidade do sistema em

subestações remotamente assistidas?”.

2.1 Caso da subestação de 500kV em Minas Gerais

Nesta subestação estão sendo monitoradas 3 seccionadoras com a utilização de um conjunto

de câmeras (real e térmica), totalizando 9 pontos sob supervisão. Neste projeto foi priorizado o

monitoramento dos chamados pontos móveis das seccionadora.

Quando perguntado, o responsável pela subestação respondeu à pergunta referida da seguinte

forma:

Segundo o responsável pela subestação: “Na situação atual, em que as exigências regulatórias

demandam manobras rápidas, precisas e seguras de todos os agentes envolvidos na operação

do SIN, a qualidade do serviço e a confiabilidade do sistema em subestações remotamente

assistidas são fortemente impactadas pela capacidade de resposta adequada dos agentes às

ações solicitadas pelo ONS. Sendo assim, analisando o aspecto econômico, creio ser viável o

monitoramento térmico e em tempo real dos equipamentos de usinas e subestações por

câmeras integradas a sistemas que empregam técnicas de visão computacional. Além de

valores dos equipamentos do SIN, das indisponibilidades dos mesmos e dos riscos envolvidos,

os descontos da parcela variável entre outros custos envolvidos na operação do SIN são mais

altos que os de desenvolvimento, instalação e manutenção de sistemas avançados de

videomonitoramento. Quanto ao aspecto técnico, creio que esses sistemas têm se mostrado

viáveis pelos resultados alcançados até o momento embora ainda sejam necessários mais

testes em condições adversas e desfavoráveis para a captura das imagens. Como os agentes

do setor elétrico brasileiro ainda têm optado por soluções em que os operadores dos centros

inspecionam as manobras e os equipamentos utilizando câmeras mais simples, ainda há

poucos casos de sistemas com câmeras térmicas e os que existem não estão funcionando há

muito tempo. Ainda que a utilização de câmeras térmicas envolva mais dificuldades de

liberação para instalação, os múltiplos usos possíveis dessas câmeras além da inspeção de

manobras podem aumentar os ganhos com qualidade de serviço e confiabilidade do sistema.”

2.2 Caso da subestação no Rio de Janeiro

Nesta subestação estão sendo monitoradas 6 equipamentos com a utilização de 2 conjuntos

de câmeras (real e térmica), totalizando 20 pontos sob supervisão da mesma.

Quando perguntado, o responsável pela subestação preferiu não publicar sua opinião.

3. APLICAÇÕES E VIABILIDADE TÉCNICA

A visão computacional e a automação permitem o controle e manipulação dos dados visuais

adquiridos, expandindo quase ilimitadamente o número de possibilidades de aplicações.

Estudamos as principais aplicações que apoiam a operação de subestações remotamente

assistidas, e consideramos como solução completa e objeto deste estudo, todas as soluções

capazes de entregar as aplicações a seguir:

3.1. Da captação de imagens termográficas

A disponibilidade da termografia contínua e remota supre as necessidades termográficas do

sistema e, adicionalmente, oferece diversas vantagens em relação à execução manual da

mesma, e tornam possiveis as seguintes aplicações:

3.1.a. Execução de rotinas de termografia preditiva com geração de alarmes e relatórios

automática.

3.1.b. Termografia solicitada pela operação de tempo real para emergências, auxílio na tomada

de decisão ou verificação de severidade de temperatura.

3.1.c. Termografia em função de oportunidades operativas (ex: configuração de barras

diferente, by-pass, pós-manobra).

3.2. Do auxílio na tomada de decisão operativa

As imagens e informações sistêmicas auxiliam as equipes de operação e manutenção a tomar

decisões mais assertivas e eficientes nas mais diversas questões:

3.2.a. Necessidade ou não de by-pass.

3.2.b. Desligamento ou não para evitar dano ao equipamento.

3.2.c. Solução de sobrecargas.

3.2.d. Impedimento ou disponibilidade dos equipamentos.

3.2.e. Definição da configuração de barras.

3.3. Da captação de imagens reais

A visão computacional interpreta e manipula as cores obtidas nas imagens, permitindo a

criação de programas capazes de diferenciar objetos e interpretar as imagens de forma muito

próxima, ou em algumas áreas, melhor do que o olho humano, viabilizando as seguintes

aplicações:

3.3.a. Verificação automática do estado das chaves seccionadoras (garantir se a chave está,

de fato, fechada/aberta).

3.3.b. Inspeção visual geral na subestação para detectar anomalias físicas e identificar causas

de problemas operativos.

3.3.c. Inspeção automática para detectar desgaste material, fissuras, oxidações e vegetação

em equipamentos.

3.3.d. Leitura de sensores ou displays locais ou manuais (ex: termômetros, manômetros,

contador de descargas atmosféricas).

4. ESTUDO MERCADOLÓGICO

Com objetivo de estudar a viabilidade técnica e economica da futura aplicação da tecnologia foi

realizada a parceria de levantamento de informações com três fornecedores de soluções em

vídeo monitoramento térmico atuando no Brasil atualmente.

4.1. Equipamentos disponíveis no mercado

Para aplicações em subestações, as câmeras precisam respeitar certas características

técnicas como: Ser composta por uma câmera de imagem real e outra de imagem térmica;

Proteção completa para ambientes externos; Lentes específicas; Pan & Tilt (Giro de 360° na

horizontal e 45° na vertical); Fornecer dados compatíveis com softwares de visão

computacional; entre outras.

Estudamos os seguintes equipamentos capazes de fornecer as soluções necessárias:

4.1.a. FLIR A310pt 6°:

Principais especificações técnicas:

Posicionador Pan-Tilt:

Variação de Rotação: Contínua 360°

Variação de Inclinação: ±45°

Câmera termográfica:

Resolução: 320 x 240 pixels

Campo de Visão: 25° × 18.8°

Faixa espectral: 7~13,5μm.

Variação Temperatura: -20~350 °C

Precisão da Medição: ±4 °C ou ±4% (o maior)

Detector: microbolômetro

Comprimento Focal Lente: 4mm ~ 76mm

Câmera Visual:

Resolução 768 x 576

Campo de Visão: 57.8° (H) ~ 1.7° (H)

Comprimento Focal Lente: 3.4 mm (wide) ~ 122.4 mm (tele)

Comunicação: Ethernet

Entrada: 24V.

Exemplos de imagens:

4.1.b. LUMASENSE TS724DV-PT:

Principais especificações técnicas:

Posicionador Pan-Tilt:

Variação de Rotação: Contínua 360°

Variação de Inclinação: ±45°

Câmera termográfica:

Resolução: 640 x 480 pixels

Campo de Visão: 8.2° x 6.2° (lente 75 mm)

Variação Temperatura: -40~500 °C

Precisão da Medição: ±2 °C ou ±2% (o maior)

Detector: microbolômetro

Comp. Focal lente: 75 mm

Câmera Visual:

Resolução 768 x 576

Sensor de imagem: Varredura Progressiva CMOS

Lente: Varifocal resolução corrigida em megapixel IV

Comprimento Focal Lente: 50mm.

Comunicação: Ethernet

Entrada: 120 VAC, 240 VDC, ou 220 VDC.

Exemplos de imagens:

4.1.c. IVISION V300Thermal

Principais especificações técnicas:

Posicionador Pan-Tilt:

Variação de Rotação: Contínua 360°

Variação de Inclinação: ±45°

Câmera termográfica:

Variação Temperatura: -25 ~ 350 °C

Faixa espectral: 8~14μm.

Resolução: 640 x 480 pixels

Campo de Visão: 58,1°x 44° (11mm) (modificável)

Detector: microbolômetro

Comp. Focal lente: 6.1mm ~ 100mm (modificável)

Câmera Visual:

Resolução 1280 x 1024

Campo de Visão: 57,4° x 44,3° (6mm) (modificável)

Comprimento Focal Lente: 6mm ~ 100 mm

Comunicação: Ethernet

Entrada: 12V.

Exemplos de imagens:

5. VIABILIDADE ECONÔMICA

Para o estudo de viabilidade econômica usamos como exemplo uma das subestações de um

grande agente do setor com atuação na região sudeste. Foram levantadas e calculadas as

características econômicas da adoção da assistência remota apoiada pela tecnologia de

monitoramento real e térmico, de forma contínua e remota e estimando o provável retorno de

investimento se comparado a operação local. Todos os valores e cálculos abaixo referem-se a

esta subestação.

5.1. Custos operacionais da operação local da estação (OPEX atual)

Para efeitos de cálculo, convencionamos uma média de trabalho de 2 operadores por cada

turno com duração de 8 horas, 24 horas por dia, sendo necessário o total de 12 operadores

contratados para a subestação. O custo médio para a empresa por operador é de 290 mil reais

por ano. Neste sentido, foi levantado que o custo operativo desta subestação é de, em média,

3.480.000 reais por ano.

No ambitro da termografia, na estação exemplo, para atender os manuais técnicos de campo e

a resolução normativa número 669 da ANEEL, faz-se a termografia peditiva com a

periodicidade de 2 vezes por ano, executada pelo próprio operador da subestação que for

certificado em termografia, não representando, assim, nenhum custo adicional em mão de obra

para a empresa. Foi levantado que é necessário 9 horas de trabalho para executar a rotina de

termografia preditiva em toda a subestação exemplo.

5.2. Custos de capital para aquisição da tecnologia (CAPEX)

Para que seja possível a adoção desta tecnologia são necessários a aquisição de produtos e

contratação de serviços distintos, detalhados em seguida.

5.2.a. Aquisição das câmeras.

5.2.b. Projeto e instalação física das câmeras e sua comunicação.

5.2.c. Criação do software e automação (definição das aplicações a serem adotadas e seus

respectivos algoritimos).

5.2.d. Integração do software com sistemas existentes (supervisórios, comunicações, controles,

comandos).

Primeiro se faz necessário adquirir os conjuntos de câmeras. Para cada conjunto, foi cotado o

preço de entre 75.000 e 197.200 reais, como na subestação exemplo foi especificado a

necessidade de 9 conjuntos, o total deste investimento cotado foi de entre 675.000 e 1.774.800

reais.

Cotamos também os custos de projeto e instalação dos conjuntos citados acima. O preço

destes serviços foi cotado entre 25.000 e 50.000 reais por conjunto, onde, para o caso da

subestação exemplo, os gastos totais cotados foram de entre 225.000 e 450.000 reais.

Estudamos as soluções disponíveis em software, pesquisamos a capacidade de fornecimento

de soluções de cada fornecedor com o objetivo de garantir que o software contratado seja

capaz de realizar todas as aplicações citadas no tópico viabilidade técnica de forma completa e

segura. Neste sentido o custo cotado foi de entre 230.000 e 300.000 reais.

A integração do software novo com os já existentes é um assunto bem específico e depende

especialmente das características de cada subestação. Para os sistemas de supervisão,

controle, comando e comunicação existentes na subestação exemplo, o preço cotado para este

serviço foi de entre 70.000 e 171.000 reais.

Neste sentido, calcula-se que os custos totais de capital sejam de entre 1.200.000 e 2.695.800

reais.

5.3. Custos operacionais da operação com a tecnologia (OPEX)

O modelo operativo proposto, considera que a operação local mude para operação

remotamente assistida, apoiada pela tecnologia de vídeo monitoramento real e térmico, com

objetivo de melhorar a eficiência mantendo os níveis de segurança e confiabilidade do sistema.

Na convenção atual, o número de operadores de assistência remota adotado é de um operador

para cada 60 bays.

Neste sentido, é necessário 1/6 operador para assistir esta subestação, já que a mesma possui

10 bays.

Calcula-se, então, que o aumento de demanda de mão de obra na operação de assistência

remota seja de 290.000 reais por ano, além disto, foi levantado a necessidade do custeio de

entre 0 e 5.000 reais para suporte técnico, lincenças e upgrades dos softwares.

Os custos operacionais totalizam entre 290.000 e 295.000 reais por ano.

5.4. Custos de adequação da operação (migração da operação local para remota)

Para que fosse possível realizar o cálculo do retorno de investimento de maneira realista e

precisa, adicionamos o custo de adequação da operação, que compreende os gastos

necessários para que a operação da subestação deixe de ser local e passe a ser remota.

Embora nesta subestação, por se tratar de um projeto recente e moderno, todos os

equipamentos já oferecem opção de comando e supervisão remotos, ainda são necessários

alguns ajustes (não relacionados a respectiva tecnologia de monitoramento).

Nesta parcela, estão estimados custos de adequação da sala de controle, transferência de

comandos e supervisórios, treinamentos (termografia, assistência remota), adequação

normativa, etc.

Para estimar estes gastos, convencionamos o valor de 500 mil reais.

5.4. Cálculos de retorno de investimento (ROI)

O cálculo de retorno de investimento, considera os gastor necessários para transição da

operação local para a operação de assistência remota, os novos custos operativos pós

mudança, e os compara com os custos atuais da operação local. Apresentando, ao final do

cálculo, a estimativa de retorno de investimento, em anos, da adoção da tecnologia em

conjunto com a migração da operação.

5.4.a. Cálculos de mínimo:

ROI = CAPEX-min / (OPEX-atual – OPEX-novo-min)

ROI = 1.700.000 / (3.480.000 – 290.000)

ROI = 0,533 anos.

5.4.b. Cálculos de máximo:

ROI = CAPEX-max / (OPEX-atual – OPEX-novo-max)

ROI = 3.195.800 / (3.480.000 – 295.000)

ROI = 1,003 ano.

Onde: CAPEX (max e min) corresponde a soma de todos os custos da adoção da tecnologia

com a parcela da adequação da operação; OPEX-atual corresponde aos custos da operação

atual (local); E OPEX-novo (max e min) corresponde aos custos da operação pós mudança

para operação de assistência remota (quando adotada a referida tecnologia).

5.5. Retorno de investimento

Considerando os valores descritos acima, temos que o retorno de investimento para a

subestação exemplo, nestas condições específicas, é de entre 0,533 e 1,003 anos.

6. CONCLUSÃO

É importante considerar que as características ópticas das câmeras são um fator

preponderante na especificação e descrição de cada projeto, em função das características

físicas de cada subestação.

De acordo com todos os estudos realizados acima, para a subestação escolhida na empresa,

concluiu-se que o monitoramento real e térmico, de forma contínua e remota, é uma

alternativa viável tanto tecnicamente quanto economicamente, apresentando retorno de

investimento de entre 0,533 e 1,003 anos dependendo da solução adotada dentre as

levantadas por este estudo.

Foi constatado que adoção da tecnologia também representa um avanço operacional e técnico

em diversos pontos se comparado a forma de trabalho atual.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

E.R. Davies. Machine Vision, Theory, Algorithms, Practicalities. Elsevier (2005).

Sistema para videomonitoramento operacional de chaves seccionadoras de subestações de

energia. In: EDAO, 14. 2016, São Paulo, 2016.

Os impactos da aplicação da termografia na operação do sistema elétrico de Furnas e as

ações adotadas para buscar a máxma operacionalidade, produtividade e confiabilidade do

sistema. In: EDAO, 10. 2008, São Paulo, 2008.

Furnas. Inspeção em subestações utilizando termovisor. Manual Técnico de Campo, Revisão

05. 2017.

AEON TECHNOLOGIES. Página institucional. Disponível em: <http://www.aeon.com.br>,

Acesso em: 01 jun. 2018.

LUMASENSE. Página institucional. Disponível em: <http://www.lumasenseinc.com, Acesso

em: 02 jun. 2018.

FLIR. Página institucional. Disponível em: <http://www.flir.com.br>, Acesso em: 10 jun. 2018.

INVENT VISION. Página institucional. Disponível em: <http://www.ivision.ind.br>, Acesso em:

12 jun. 2018.

8. BIOGRAFIAS DOS AUTORES

GABRIEL GANDRA é engenheiro eletricista e eletrotécnico, graduado pela Universidade Estacio de Sá em 2018, com especialização em sistemas de potência. Trabalha na empresa FURNAS desde 2011, atuando na área de operação do sistema. Atuou ou tem experiência nas áreas de manutenção de subestações e linhas de transmissão e operação do sistema.

E-mail: gandra@furnas.com.br

Fone: (21) 98294-1141