MODERNIZAÇÃO E IMPLANTAÇÃO DAS FUNÇÕES DE ANÁLISE DE REDE EM TEMPO REAL NO CENTRO DE CONTROLE DA COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ

Freire, L. M.; Zagari, E. N. F.* Martins P. R. D.; Mokarzel Jr., F. B.; Rodrigues, L. F. G.; Kishi, M.**

* OSE - Divisão de Estudos da Operação

** OEPS - Setor de Engenharia de Software de Automação Companhia Paulista de Força e Luz

Rodovia Campinas Mogi Mirim, km 2,5 Campinas - SP - Brasil

13.088-900

Resumo: A CPFL vem desde 1990 trabalhando na modernização de seus

centros de controle, tanto do ponto de vista de equipamentos (hardware), como de software, com o intuito de implantar um EMS (Energy Management System) completo [2]. Este trabalho mostra parte dessa modernização enfocando a implementação em tempo real dos aplicativos de análise de rede. São descritas as soluções de implantação adotadas pela CPFL, apresentando-se o ambiente e os principais programas de tempo real desenvolvidos. Em seguida são apresentadas sucintamente as Funções de Análise de Rede (FAR) e sua forma de execução em tempo real.

Palavras-chave: Aplicativos de Tempo Real, Funções de Análise de Redes, Centros de Operação e Controle.

Abstract: Since 1990, CPFL has been working to upgrade its control centers

(including hardware and software) intending to implement a full Energy Management System, EMS. This work describe the real-time implementation of the network analysis functions focusing the main real-time software developement, its environment and the directions taken by CPFL on doing this. It’s also shortly described the CPFL network analysis functions and its real-time executions.

Key words: Real-time software, Network Analysis Functions, Control Centers.

1. INTRODUÇÃO Ao longo dos últimos anos, as empresas concessionárias de energia em todo o mundo têm realizado grandes esforços para o desenvolvimento, implantação e consolidação dos chamados EMS onde as funções de análise de rede são parte importante desse processo. Neste sentido, a Companhia Paulista de Força e Luz - CPFL firmou um convênio com o Departamento de Sistemas de Energia Elétrica da UNICAMP, para o desenvolvimento dessas funções instituindo o Projeto FAR (Funções de Análise de Rede) [6]. Uma vez desenvolvidas essas funções e testadas de modo off-line restava ainda suas implementações em tempo real. A performance exigida pelas FAR aliada a conceitos de concepção ultrapassados (obsolescência) de nosso sistema supervisório alavancaram o processo de modernização de nossos centros de controle.

As empresas que estão iniciando a implantação ou modernização de seus centros de controle têm à disposição uma nova concepção para o projeto destes centros, baseada nos seguintes conceitos: • integração dos processos produtivos e

administrativos da empresa (rede corporativa), dando origem a sistemas de informação integrados,

• arquitetura aberta e processamento distribuído

em todos os níveis e funções. Assim, tendo em mente esses novos conceitos especificou-se um ambiente para implementação das FAR que permitisse também uma migração gradativa das funções desempenhadas pelo sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) para este novo ambiente. Neste trabalho são descritas sucintamente

as soluções adotadas pela CPFL, assim como os principais aplicativos de tempo real, cujo desenvolvimento se fez necessário para a implementação em tempo real das FAR no centro de controle da CPFL.

2. AMBIENTE DE IMPLANTAÇÃO Os dados que alimentam as funções de análise de rede são provenientes do SDDT (Sistema Digital Distribuído de Telecontrole), o sistema SCADA da CPFL. O SDDT é baseado numa arquitetura distribuída, implementada por micros PCs interligados através de uma rede proprietária (VGI - Via Geral de Interconexão). O sistema operacional e o protocolo de comunicação também são proprietários e de domínio da equipe de desenvolvimento da CPFL. As funções de análise de rede exigem um hardware de alta performance para realizar os cálculos necessários. Atualmente no mercado o requisito de desempenho só é atendido por máquinas com arquitetura RISC. Estas por sua vez se utilizam, na sua grande maioria, de sistemas operacionais UNIX e rede Ethernet com protocolo TCP/IP. Dessa forma, ficou configurada a necessidade de se criar um Gateway para interconectar os dois ambientes: o proprietário (SDDT) e o comercial (Unix). Para implantação deste Gateway existiam duas opções, a saber:

1. - PC com placa Ethernet e sistema operacional do SDDT: esta opção implicaria no desenvolvimento de driver para placa Ethernet e de todo o protocolo TCP/IP no ambiente do SDDT.

2. - PC com placa de rede VGI e

sistema operacional Unix: esta outra opção implica apenas no desenvolvimento de um driver para placa VGI no ambiente Unix, uma vez que o TCP/IP é nativo do Unix.

Foi escolhida a segunda opção por ela ser mais simples de se implantar visto que tínhamos o domínio do protocolo e do hardware utilizado na placa VGI, o que não era o caso para a placa Ethernet e para o protocolo TCP/IP.

Escolhido o hardware e o sistema operacional, persistia ainda um último problema, que é a multiplicidade de versões e implementações do Unix. Qualquer que fosse a escolha deveria ser levado em consideração a disponibilidade de suporte para processamento em tempo real, necessária para implantação de sistemas de controle. Além disso, seria desejável seguir os padrões “de facto” e tendências de mercado de modo a tornar possível a evolução do SDDT para Sistemas Abertos. Os sistemas Unix que atendem aos requisitos de tempo real são o Unix System V Release 4.x (SVR4.x) e o OSF/1. Dos dois apenas o SVR4.x conseguiu se firmar como um padrão “de facto” na indústria. As implementações de Unix para PC que seguiam o padrão SVR4.x na época eram as seguintes:

• UHC Unix • Sun Solaris 2/386 • Novell Unixware

Optou-se pelo Novell Unixware devido às suas características superiores de interconectividade e interoperabilidade com outros sistemas, tais como DOS e Netware. A mesma restrição com relação ao sistema operacional é valida também para a estação RISC destinada ao FAR. Na época da aquisição dos equipamentos as opções existentes para fornecedores de estações RISC com Unix SVR4.x eram as seguintes:

• Sun Microsystems (Solaris 2/Sparc) • Sillicon Graphics (Irix)

Ambas atendem plenamente às necessidades, e a escolha da Sun se deu de forma ocasional, pois no processo de aquisição por licitação não houve nenhuma proposta de fornecimento de Sillicon Graphics. Além da implantação das funções de análise de rede, existiam outras funções a serem implementadas, como o Gerente de Dados Corporativo que é um banco de dados em Oracle com todas as informações do sistema SCADA e os dados do FAR e outras funções ligadas ao gerenciamento da operação do Sistema Elétrico da CPFL. Surgiu então o SGO (Sistema de Gerenciamento da Operação) que é a denominação dada para o ambiente que integraria essas funcionalidades dando origem ao nosso EMS (Figura 1).

Figura Error! Unknown switch argument.: Arquitetura do EMS

O SGO futuramente também servirá como base para a migração gradativa das funcionalidades do SDDT para uma plataforma aberta baseada em sistemas não proprietários.

3. DESENVOLVIMENTOS A maior parte da equipe responsável pelo desenvolvimento das funcionalidades do SGO não possuía conhecimentos de desenvolvimento em Unix. De modo minimizar o custo em treinamento e o tempo de implantação, optou-se por treinar um grupo limitado de pessoas em Unix. Estas pessoas ficaram encarregadas de desenvolver APIs (Application Program Interface) para portar as

funcionalidades básicas do sistema operacional utilizado no SDDT para o ambiente Unix, bem como desenvolver partes específicas necessárias no ambiente Unix, tais como o driver da placa de rede proprietária do SDDT (VGI). Esta estratégia permitiu uma transição suave para o resto da equipe. As APIs desenvolvidas são descritas sucintamente a seguir.

3.1 ICP - INTERFACE DE COMUNICAÇÃO ENTRE PROCESSOS

API que tem por finalidade prover funções básicas de comunicação entre processos de uma aplicação ICP ou entre processos de várias aplicações ICP distribuídas em rede [3]. O ICP também implementa extensões ao serviço de escalonamento de processos do Unix dentro de aplicações ICP. Uma aplicação ICP permite a criação dos seguintes tipos de processo:

3.1.1 PROCESSO DE TEMPO REAL Processos usados para atendimento a eventos que exigem resposta imediata.

3.1.2 PROCESSO TIME-SHARING: Processos da aplicação de um modo geral, escritos na forma de um loop perpétuo a ser executado com prioridade rotativa.

3.1.3 PROCESSO TIME-SHARING DE EXECUÇÃO FINITA COM PRIORIZAÇÃO:

Processos que devem ter uma prioridade alta no Sistema, porém não podem ser de tempo real pois ocupariam a UCP por um tempo muito longo. Estes processos têm prioridade superior aos processos de Time-Sharing comuns, porém inferior aos processos de tempo real.

3.2 SCA - SERVIÇO DE COMUNICAÇÃO ENTRE APLICAÇÕES

Implementa um protocolo de comunicação orientado a eventos entre processos de aplicações ICP de modo a permitir a abstração da forma de conexão e roteamento de pacotes, deixando em evidência apenas as informações relacionadas à aplicação em si.

3.3 BD - MÓDULO DE BASE DE DADOS DE TEMPO REAL

Implementa o gerenciamento da carga e atualização da base de dados de tempo real para as aplicações ICP, bem como as formas de acesso à mesma. A atualização das bases de dados é feita de forma automática através de eventos que são gerados pelas aplicações e transmitidos através do SCA. As três APIs foram concebidas de forma a permitir que a implementação de uma aplicação no SGO seja estruturada em camadas hierárquicas, conforme mostrado na Figura 2.

Figura Error! Unknown switch argument.:

Camadas de uma Aplicação do SGO

Além da modularidade e flexibilidade, um sistema estruturado em camadas torna-se mais portável, pois apenas as camadas mais baixas acessam diretamente as funções do sistema operacional. Dessa forma, os módulos da camada de aplicação são inerentemente independentes do sistema operacional.

4. FUNÇÕES DE ANÁLISE DE REDE

FAR é um conjunto de programas computacionais com características de execução em tempo real, em implantação no centro de operação do sistema (COS) da CPFL, que visam fornecer ao operador informações depuradas sobre o estado operativo do sistema elétrico da empresa e de suas concessionárias vizinhas, em condições normais de operação ou sob contingências. A implantação do FAR traz vários benefícios à operação do sistema, proporcionando um considerável aumento na segurança operativa e na qualidade do fornecimento de energia. Entre eles, podemos citar: • minimização dos erros incorporados aos dados

telemedidos, detectando e identificando medidas incompatíveis;

• redução de investimentos na instalação de

unidades terminais remotas (UTR's) e na postergação de obras de expansão do sistema elétrico, uma vez que proporciona um melhor uso e aproveitamento de seus equipamentos, aumentando o número de pontos supervisionados;

• treinamento para operadores, possibilitando

simulações de contingências a partir do estado atual ou de dados históricos do sistema.

O primeiro aplicativo de tempo real é o configurador de rede, que é responsável por determinar a topologia do sistema elétrico em tempo real, processando os estados (aberto/fechado) dos disjuntores e chaves seccionadoras. O segundo aplicativo de análise de rede utilizado engloba as funções de análise de observabilidade e estimação de estado [5]. Esta função determina qual(is) é(são) a(s) parte(s) observável(is) do sistema, a partir do conjunto de medições e do modelo fornecido pelo configurador, e calcula uma melhor aproximação do estado (magnitudes e ângulos das tensões do sistema) da(s) mesma(s). Assim, a fim de manter sempre atualizada a informação estimada do estado do sistema, a função de observador+estimador é executada na mesma freqüência do configurador. Para modelar os sistemas vizinhos que exercem influência no comportamento do sistema elétrico da empresa, é usado um programa de modelagem da rede externa [4], que deve ser executado à medida que são adquiridos novos dados do sistema externo.

Uma vez modelada a rede externa, o quarto aplicativo de tempo real estima o estado das partes não observáveis, complementando o modelo de tempo real do sistema de interesse para o instante no qual foram realizadas as medidas. Esta função faz o papel do fluxo de potência on-line. Por fim, o último aplicativo de tempo real, a análise de contingências [1][7], tem a função de avaliar se o estado de operação do sistema é seguro ou inseguro com respeito a um conjunto de contingências. Dentre as funções de análise de rede, existe ainda o módulo de estudos, que é constituído da função de fluxo de potência off-line com análise de contingências. Através dela, torna-se possível simular situações operativas programadas ou previstas e analisar situações passadas, além de permitir um treinamento dos operadores do sistema. A Figura 3 ilustra a seqüência lógica de execução das funções de análise de rede no Centro de Controle da CPFL, bem como as operações de entrada/saída de cada uma delas.

5. EXECUÇÃO DAS FAR EM TEMPO REAL Para tornar possível a execução das funções de análise de rede em tempo real, foi necessário o desenvolvimento de um escalonador, que, conforme já mencionado, foi implementado através do ICP. A função básica do escalonador é a de conceder o uso do processador ao aplicativo de maior prioridade em estado de pronto do sistema. Cada aplicativo, por sua vez, possui uma periodicidade de ativação pré-definida, que é determinada de acordo com a ordem lógica de execução das funções de análise de rede e da capacidade de processamento do hardware a elas destinado. No caso do Centro de Controle da CPFL, as funções de configuração, análise de observabilidade e estimação de estado da rede estão sendo executadas a cada 15 segundos. A função de cálculo do estado (V, θ) e do fluxo de potência nas linhas, assim como a modelagem do sistema de interesse, são executadas a cada 15 minutos. A modelagem da rede de interesse é realizada a partir de dados históricos de carga e geração do Sistema Interligado Sul-Sudeste e dados de tempo real das concessionárias vizinhas. Uma lista de contingências consideradas severas pode então ser avaliada automaticamente, indicando se o sistema elétrico se encontra em um estado operativo seguro ou não. A função de análise de contingências pode

ainda ser executada através de chamadas aperiódicas pelo operador, com o intuito de atualizar as informações de violações de tensão e carregamento de linhas sob contingências para o estado corrente de operação. Já a função de estudo é ativada somente quando há uma requisição do operador do sistema.

Figura Error! Unknown switch argument.:

Sistema de Análise de Rede

Os dados de tempo real requeridos pelas funções de análise de rede são permanentemente atualizados em memória volátil, a fim de melhorar o desempenho computacional . Quando estas funções são executadas em tempo real, no entanto, o acesso a estes dados podem gerar conflito, criando “regiões críticas” nestes aplicativos. A garantia de “exclusão mútua” a estas regiões é realizada através do uso de semáforos.

À medida que processa as funções com os dados de tempo real, a estação FAR devolve os resultados ao SDDT e à estação de Gerência de Dados (GD), que realiza o armazenamento histórico de informações do sistema elétrico. A apresentação ao operador dos resultados provenientes da execução das FARs é realizada no mesmo ambiente no qual são apresentadas as informações telemedidas, preservando o ambiente de trabalho do operador. O desempenho alcançado na execução das FAR em tempo real pode ser considerado excelente. A execução da função de estimação de estado em período tão próximo ao da varredura do sistema SCADA, proporcionou à CPFL um aumento da observabilidade de seu sistema, que era ligeiramente superior a 30%, ao patamar de 50% de suas subestações, o que, por si só, já é um ganho considerável. Com os benefícios trazidos pelas demais funções, aliados aos da estimação de estado, tem-se tornado evidente que o esforço empreendido na elaboração do sistema de análise de rede teve o retorno desejado.

6. COMENTÁRIOS FINAIS Com a implantação do projeto, constatou-se que as soluções adotadas pela CPFL para a modernização de seu Centro de Operação, permitindo a abertura para sistemas comerciais, trouxe ganhos significativos tanto na parte técnica como econômica. Além disso, os excelentes tempos de execução das FAR obtidos em tempo real indicam a eficiência dos desenvolvimentos dos aplicativos de tempo real e da adequação do ambiente computacional adotado.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BALU, Neal at al.. “On-Line Power System

Security Analysis”. Proceedings of IEEE, vol. 80, no. 2, pp. 260-280, Feb. 1992.

[2] FREIRE, Luciano M.; GARCIA, Ariovaldo V.;

MONTICELLI, Alcir J.. “Modernização Incremental do Centro de Operação do Sistema da CPFL”. In: 1o Simpósio de Automação de Sistemas Elétricos, 1992, Campinas, SP. Anais ... Campinas: CPFL, 1992. p. 318-328.

[3] KISHI, Mio; MARTINS, Paulo R. D.. “Guia do

Programador ICP - Interface para Comunicação

entre Processos”. Companhia Paulista de Força e Luz, Campinas, SP, nov. 1995.

[4] MONTICELLI, Alcir J. et al.. “Real-Time

External Equivalents for Static Security Analysis”. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. 98, no. 2, pp. 498-508, Mar./Abr. 1979.

[5] MONTICELLI, Alcir J.; GARCIA, Ariovaldo

V.. “Fast Decoupled State Estimators”. IEEE Transactions on Power Systems, vol. 5, no. 2, pp. 556-564, May 1990.

[6] MONTICELLI, Alcir J.; GARCIA, Ariovaldo

V.. Relatórios 02, 03, 04 e 05 do Convênio de Cooperação entre CPFL e UNICAMP, Campinas, 1990-1995.

[7] STOTT, Brian; ALSAÇ, Ongun;

MONTICELLI, Alcir J.. “Security Analysis and Optimization”. Proceedings of the IEEE, vol. 75, no. 12, pp.1623-1644, Dec. 1987.