Sistema Gerador de Base Fonte do Sage

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CEEE-GT:Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica. Depto. de Supervisão e Controle Av. Joaquim Porto Villanova, 201. Prédio F, Sala 207. Porto Alegre-RS. (51)[email protected]. MODELAGEM OTIMIZADA PARA GERAÇÃO DA BASE FONTE SCADA/EMS DO SAGE Eng. MSc. Ricardo Lastra Olsen Eng. MSc. Assis Rogério Gomes da Silva Paulo CEEE-GT CEEE-GT BRASIL RESUMO Este artigo descreve a modelagem e a implantação de um sistema para cadastro e geração da base fonte para o SAGE do CEPEL, inserido no sistema de supervisão e controle hierárquico da CEEE- GT. A representação dos dados foi separada em Modelo do Sistema Elétrico e Modelo do Sistema SCADA. A padronização para os tipos de pontos supervisionados é mostrada. São detalhadas as principais tecnologias utilizadas e aplicativos desenvolvidos na implantação do sistema. Vantagens como maior consistência dos dados, velocidade de preenchimento e facilidade de manutenção são apresentadas. PALAVRAS CHAVE Base de dados fonte - SAGE - Supervisão - SCADA - EMS - Centros de Controle - Automação.

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Artigo sobre a modelagem e a implantação de um sistema para cadastro e geração da base fonte para o SAGE do CEPEL, inserido no sistema de supervisão e controle (SCADA) hierárquico da CEEE-GT.SIMPASEEm português.In Portuguese.

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CEEE-GT:Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica. Depto. de Supervisão e Controle

Av. Joaquim Porto Villanova, 201. Prédio F, Sala 207. Porto Alegre-RS. (51)[email protected].

MODELAGEM OTIMIZADA PARA GERAÇÃO DA BASE FONTESCADA/EMS DO SAGE

Eng. MSc. Ricardo Lastra Olsen Eng. MSc. Assis Rogério Gomes da SilvaPaulo

CEEE-GT CEEE-GT

BRASIL

RESUMO

Este artigo descreve a modelagem e a implantação de um sistema para cadastro e geração da basefonte para o SAGE do CEPEL, inserido no sistema de supervisão e controle hierárquico da CEEE-GT. A representação dos dados foi separada em Modelo do Sistema Elétrico e Modelo do SistemaSCADA. A padronização para os tipos de pontos supervisionados é mostrada. São detalhadas asprincipais tecnologias utilizadas e aplicativos desenvolvidos na implantação do sistema. Vantagenscomo maior consistência dos dados, velocidade de preenchimento e facilidade de manutenção sãoapresentadas.

PALAVRAS CHAVE

Base de dados fonte - SAGE - Supervisão - SCADA - EMS - Centros de Controle - Automação.

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1. Introdução

A Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul (CEEE-GT) possui um sistema de supervisão e controle em tempo real que foi desenvolvido pela equipeprópria da empresa, o qual está em operação desde 1997. Devido a uma redução na equipe dedesenvolvimento e dada a obsolescência deste sistema, optou-se por substituí-lo pelo sistema SAGEdo CEPEL.

O sistema de supervisão da CEEE-GT é um sistema hierárquico com seu COS ligado aos seus Centrosde Atendimento (CA’s) Regionais. Tanto o COS quanto os CA's adquirem dados das UTR's dassubestações. Considerou-se importante que a base fonte levasse em conta a hierarquia do sistema desupervisão, de forma a evitar a replicação dos dados de topologia e demais configurações para assubestações supervisionadas simultaneamente nos CA's e no COS. Por sua vez, a base de dados doSAGE reflete apenas uma única instalação do sistema e não um sistema hierárquico.

Sabe-se também que a crescente digitalização dos equipamentos de subestações vem aumentando adificuldade em documentar e manter as bases de dados de cada componente (UTR’s, relés digitais deproteção, unidades de bay, multimedidores) do sistema SCADA. Identificou-se que este problemapoderia ser atacado através da padronização dos sinais e da modelagem das bases de dados destesequipamentos e de suas interconexões.

Desta forma, resolveu-se criar uma nova base de dados padronizada para servir como fonte para osistema SCADA hierárquico. Esta nova base rompe com o modelo antigo de uma UTR porsubestação. Para refletir este contexto foi necessário separar em modelagens distintas o sistemaelétrico de potência e o sistema SCADA.

Sobre esta base de dados operam uma aplicação de edição dos dados do sistema elétrico, umaaplicação de edição dos dados do sistema SCADA e um script de geração da base SAGE, na formados seus arquivos DAT.

2. Modelagem do Sistema Elétrico-EMS

Esta modelagem define o significado dos pontos de supervisão no sistema elétrico de potência,representando também a topologia do mesmo.

O modelo é composto por instalações, módulos (bays) e conectores. Ver figura 1.

Instalações: são as unidades que compõem o sistema elétrico, subestações ou usinas. Ex:GRA2=Subestação Gravataí 2, UDFR=Usina Dona Francisca.

Módulos: são os vãos ou bays das subestações, ex. LT’s, transformadores, alimentadores, bancos decapacitores, etc. Equivalem aos equipamentos (EQP) do SAGE. Cada módulo é ligado a umainstalação.

Conectores: são os disjuntores e seccionadoras. Cada conector está ligado a um módulo. Os pontos desupervisão estão sempre ligados ao conector. Existe também um conector especial que serve paraassociar os pontos diretamente ao módulo em vez de a um disjuntor ou seccionadora.

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Figura 1 - Exemplo da modelagem do Sistema Elétrico - EMS

2.1. A modelagem EMS no SAGE

O SAGE, além das funcionalidades da parte de aquisição de dados (sistema SCADA), possui módulosque são responsáveis pelas Funções de Análise de Redes, conhecidos também como EMS (EnergyManagement Systems). Compõem o módulo EMS do SAGE os programas: Configurador de Redes,Estimador de Estados, Análise de Contingências e Controle de Emergência.

Para que a funcionalidade do EMS do SAGE esteja disponível de maneira confiável aos operadores dosistema (1), faz-se necessário realizar com exatidão a modelagem do Sistema Elétrico, de modo que oSAGE possa obter a disposição física dos equipamentos em associação à telemedição implantada.

A modelagem EMS do SAGE é feita sobre a sua base fonte em três aspectos distintos:

- entidades de equipamentos (TR2, TR3, LTR, BCP, REA, etc.) contendo a identificação eparametrização dos mesmos;

- entidades PAS e PDS com os estados e medições aquisitados pelo sistema SCADA. Neste casodevem ser indicados através dos atributos que fazem o relacionamento da medida ao equipamentomodelado para o EMS. Os atributos são EQP (equipamento), TPEQP (tipo de equipamento) e EST(estação associada, nível de tensão);

- entidade LIG com as ligações dos conectores e equipamentos considerados no modelo.

Percebe-se que são várias entidades a serem configuradas. A edição, seja dos arquivos DAT, planilhas,ou mesmo pelo programa STI, é uma tarefa árdua e susceptível à inserção de erros, devido àquantidade de parâmetros, seus relacionamentos e ao tamanho do sistema elétrico modelado.

2.2. Aplicação de edição do modelo do sistema elétrico / EMS

O software, desenvolvido pela CEEE-GT, objetivou disponibilizar uma ferramenta ágil para que opreenchimento dos dados fosse feito de uma forma consistente e sem a necessidade de edição diretadas entidades do SAGE.

Ao cadastrar uma nova subestação é preciso criar inicialmente uma nova instalação e as respectivasestações do modelo EMS (darão origem às entidades INS e EST).

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Em seguida são inseridos todos os módulos da subestação, ver fig. 2. Para os módulos pertencentes aomodelo EMS são cadastrados o nome (EQP), o tipo de entidade correspondente do SAGE (BCP, CAR,CSI, LTR, RAM, REA, SBA, TR2, TR3, UGE) e o nome da sua LIG (entidade LIG do SAGE,representam os nós elétricos do modelo EMS que ligam os equipamentos e conectores). No caso, cadamódulo possui apenas uma LIG pois separamos em diferentes módulos cada lado de uma linha detransmissão (LTR) e transformador (TR2/TR3). Exemplo a LTR Gravataí 2 (GRA2)- Porto Alegre 10(PA10) é cadastrada como módulo de linha PA10 na SE GRA2 e módulo de linha GRA2 na SE PA10.Para o transformador cada lado é cadastrado como um módulo, por exemplo o Trafo 1 da SE GRA2 écadastrado em 3 módulos separados, um para o lado de 230kV, outro para o 69kV e ainda outro para o13,8kV, onde em cada módulo são ligados os respectivos disjuntores e seccionadoras. Adicionalmente,devem ser cadastrados os parâmetros do equipamento, tais como: R, S e X para LTR; RPS, XPS, TAT,TPAS para TR2, e de forma análoga para as demais entidades.

Posteriormente, para cada disjuntor e seccionadora, ao serem inseridos em um módulo, sãocadastrados o nome das duas LIG's que representam os nós elétricos aos quais o conector está ligado.Com estas informações serão geradas as entidades LIG e CNC do SAGE.

Figura 2 - Editor do modelo EMS

Os pontos de supervisão, ao serem cadastrados, são caracterizados pelo tipo da informaçãosupervisionada, através de listas de múltipla escolha e são sempre ligados ao conector correspondente.As listas de escolhas de tipos são apresentadas de acordo com o tipo de módulo e conector a quepertencem. Ex: ao cadastrar um ponto do disjuntor somente são apresentados os tipos de dadospossíveis para disjuntores (posição, mola descarregada, baixa pressão de SF6, falha no circuito deabertura, etc.). Obviamente, neste caso, não é possível cadastrar um tipo de informação como posiçãoda seccionadora, pois o conector do ponto já foi definido como disjuntor. Ao serem cadastrados, osestados e as medidas já são associados ao respectivo conector. Através desta ligação são gerados osatributos EQP e TPEQP para as entidades PDS e PAS.

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Os pontos, após ligados aos conectores e tipados, recebem automaticamente o ID do SAGE e adescrição textual. A tipagem das informações permite ainda a verificação de erros como a presença deduplicação de pontos na base da subestação.

Convenientemente, programam-se neste modelo os dados intrínsecos ao ponto supervisionado, isto é,que independem do local de operação. Ex.: o estado normal do ponto (aberto ou fechado) é um dadoda tabela de Pontos_em_nós pois esta informação é a mesma tanto para o COS como para o CentroRegional, portanto basta cadastrá-la apenas uma vez. Já os limites de alarme para a tensão de barrapodem ser diferentes para o Centro Regional e para o COS. Sendo assim, esta informação é cadastradajunto ao modelo SCADA.

O uso deste aplicativo para a modelagem do Sistema Elétrico da CEEE agilizou o processo demodelagem de 120 barras, com aproximadamente 1000 medições analógicas consideradas e mais de2500 estados de conectores, tendo sido realizado em menos de 04 meses (de dezembro de 2005 amarço de 2006) por apenas uma pessoa.

Ressalta-se que a de modelagem do Sistema Elétrico de Potência não é um processo definitivo: aatualização se faz necessária a qualquer alteração da configuração do mesmo. Este foco deve serperene para que os usuários possam utilizar as funções de análise de redes de maneira confiável.

3. Modelagem do Sistema de Supervisão-SCADA

Conforme pode ser observado na fig. 3, a arquitetura do sistema da CEEE-GT para sistemas deautomação de subestações representa um exemplo da complexidade destes sistemas nos dias de hoje.Antigamente, todos os sinais supervisionados eram aquisitados diretamente pela UTR. Atualmente, osmesmos podem estar conectados, por exemplo, aos seguintes elementos: relé de proteção,multimedidor, unidade de controle de bay, UTR/sistema de acessante dos sistema de transmissão, etc.Estas verdadeiras teias de conexões entre os IED's (Intelligent Electronic Devices) tornam cada vezmais difícil documentar e manter as bases de dados destes sistemas.

Figura 3 - Visão esquemática parcial do sistema de supervisão e controle da CEEE-GT

Para descrever o sistema SCADA procurou-se uma modelagem genérica, capaz de servir como fontepara qualquer sistema (não apenas para o SAGE) e sendo tão simples quanto possível. Neste modelo

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descreve-se o sistema SCADA através de seus componentes, aqui chamados de "Nós de Supervisão" ede suas conexões com os respectivos pontos lógicos e físicos associados, ver fig. 4.

Os conceitos para estes termos são os seguintes:

Nó de supervisão: é um elemento inteligente do sistema de supervisão que aquisita e podedisponibilizar estados digitais e/ou medidas e/ou comandos a outros elementos através de suasconexões. Ou seja, possui um conjunto de pontos lógicos (subconjunto do total de pontos do sistema) e'n' conexões com outros dispositivos.

Conexão: é uma ligação entre dois "nós" de supervisão que suporta o transporte de estados digitais,medidas e comandos através de um protocolo de comunicação. As conexões no modelo sãounidirecionais, levando dados em um sentido e comandos no contrário. Conexões bidirecionais deprotocolos balanceados são modeladas através de duas conexões unidirecionais. Os pontostransportados são chamados, analogamente à terminologia do SAGE, de pontos físicos.

Ponto lógico: é o ponto interno ao "nó" de supervisão. Normalmente é um ponto aquisitado, mas podeser também um ponto com origem no próprio "nó", do tipo calculado, manual ou estimado. Nestescasos, o ponto lógico não possui ponto físico de aquisição associado.

Ponto Físico: é o ponto que transporta uma informação de um nó para outro em uma conexão queutiliza um protocolo de comunicação. O ponto físico associa um ponto lógico da origem com outro nodestino. Cada ponto físico possui um tipo que é a unidade de informação de aplicação (ASDU)escolhida entre uma das disponibilizadas pelo protocolo empregado, ex: M_SP_NA_1=Informação deestado digital simples e M_ME_NA_1=Informação de valor normalizado, ambas do protocolo IEC60870-5-101.

Com estes dados devidamente cadastrados, torna-se possível descrever o trajeto do pontosupervisionado desde o seu IED de origem, passando por eventuais unidade de controle de bay, UTRou concentrador de subestação e centro regional até chegar ao COS.

Através de um script gerador adequadamente desenvolvido, pode-se criar a base de dados de cargapara qualquer um dos sistemas dos IED's, UTR's, concentradores e centros de controle envolvidos.

Figura 4 - Diagrama E-R simplificado dos modelos EMS e SCADA

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Com esta metodologia obtém-se maior consistência nas bases de dados, rastreabilidade dasinformações e maior flexibilidade e velocidade tanto na fase de implantação como na manutenção eeventuais reconfigurações das conexões do sistema, como por exemplo passagem da varredura de umaUTR de subestação de um centro para outro ou mesmo a substituição da UTR por uma de outrofabricante.

3.1. Aplicação de edição da base SCADA

Este editor permite cadastrar os "nós de supervisão", os seus pontos lógicos, as conexões e seus pontosfísicos.

Figura 5- Editor do modelo SCADA: edição de pontos lógicos

Figura 6- Editor do modelo SCADA: edição de conexões

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Primeiramente deve ser cadastrado o nó. Passando para a aba "Pontos Lógicos", conforme mostradona fig. 5, no painel da direita, são escolhidos os pontos lógicos para o nó dentre os disponíveis nosistema total (cadastrados no editor do modelo EMS). Os que forem sendo inseridos somem destepainel, passando ao painel da esquerda. Sobre os pontos disponíveis, para facilitar a escolha, aplicam-se filtros por subestação, tipo, origem, endereço, etc.

Após descritos os nós, cadastram-se as conexões, ver fig. 6, informando nó origem, nó destino,protocolo utilizado, e demais parâmetros de canais de comunicação e varredura necessários.

Para cada conexão, cadastram-se os pontos físicos, ver fig. 7, informando os pontos lógicos associadonos nós de origem e destino, endereço no protocolo, fatores de conversão e o tipo de ASDU desejadopara o transporte da informação.

Figura 7 - Editor do modelo SCADA: edição de pontos físicos

4. Padronização dos Sinais

No sistema antigo da CEEE os sinais não possuíam identificadores textuais (tag’s), sendo relacionadosapenas por um número ao qual estava associada uma descrição em um campo de texto livre. Istoocasionou que um mesmo tipo de sinal era descrito de ‘n’ formas diferentes em ‘m’ subestações,dependendo de quem havia elaborado a base, dos fabricantes e dos integradores dos equipamentos.Até mesmo dentro da mesma subestação, no caso de ampliação, a mesma informação era cadastradade forma inconsistente nos bays novos em relação aos antigos.

Esta despadronização leva aos seguintes problemas:

- incompreensão dos sinais. Apenas quem implementou sabe o que significam todos os sinais. Apósalgum tempo somente analisando o projeto é possível saber o que representa cada sinal;

- dificuldade na definição dos sinais que serão implementados no sistema da subestação;

- confusão para os operadores que devem interpretar sinais iguais apresentados com descriçõesdiferentes;

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- impossibilidade de automatizar a geração e a verificação da consistência das bases de dados.

A padronização criou um número limitado de tipos de sinais possíveis. Ou seja, cada sinal existente nosistema de automação da subestação deve se enquadrar em um tipo disponível. Quando surge um novotipo, o mesmo é acrescentado na base. Na prática, cerca de 800 tipos distintos já foram identificados.

A cada tipo está associado um mnemônico para compor o tag do ponto. Os mnemônicos de 4caracteres foram inspirados nos nomes dos Logical Nodes da norma IEC 61850.

5. Gerador da Base Sage

Todas as informações necessárias para a criação das bases de dados estão no banco de dadosrelacional.

Os bancos de dados utilizados são o MySQL e o PostgreSQL. O banco MySQL já vinha sendoutilizado no desenvolvimento da interface com a rede corporativa da CEEE (2) e o PostgreSQL passoutambém a ser usado por ter sido adotado pelo SAGE. Futuramente serão migradas todas as tabelas eaplicações para o PostgreSQL.

Para a criação da base SAGE na forma de arquivos DAT, optou-se por utilizar um script na linguagemPHP. Esta ferramenta é uma das mais utilizadas para desenvolvimento de aplicações da Web. Todavia,também é muito propícia para uso como linguagem de programação de scripts.

As principais vantagens obtidas pela utilização do PHP são:

- software livre, amplamente difundido, multiplataforma;

- acesso nativo aos bancos de dados PostgreSQL e MySQL;

- alto nível de programação, fácil aprendizagem;

- linguagem interpretada, rápida prototipagem e manutenção;

- extenso conjunto de bibliotecas para praticamente todo tipo de necessidade de programação.

SGBD SQL

ScriptGerador

PHP

Editor domodelo EMS

Editor domodelo SCADA

Arquivos DATdo SAGE

RCA, TCL, INS, MAP, TAC, TELA, USI,GRUPO, EST, BCP, CAR, CSI, LTR, RAM,

REA, SBA, TR2, TR3, UGE, LIG, CNC,CGS, PAS, PDS, E2M, GRCMP, OCR,

TCTL, NV1, NV2, CNF, CXU, ENU, LSC,TDD, UTR, CGF, PAD, PAF, PDD, PDF

Cálculos, Fórmulas,Instalações, Estações,

Módulos, Conectores, Nós,Pontos_em_Nós,

Tipos_Ponto, Conexões,Pontos_em_Conexões

Figura 8 - Esquema de edição / geração de bases de dados

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Para cada entidade da base SAGE é feita uma consulta SQL ao banco de dados trazendo asinformações necessárias para a sua criação. Os dados são processados pelo script para criar o arquivoDAT, ver fig.8.

Ao acionar o script gerador, informa-se qual o sistema que deve ser gerado, se o do COS ou o de umdos Centros de Atendimento Regionais.

Na tabela I estão listadas as entidades do SAGE derivadas pelas tabelas da base fonte relacional daCEEE-GT.

Tabelas da Base Fonte CEEE Entidades do SAGE GeradasCálculos RCAFórmulas TCL

Estações EMS ESTMódulos BCP, CAR, CSI, LTR, RAM, REA, SBA, TR2, TR3, UGE,

LIGConectores CNC, LIG

EMS

Instalações INS, MAP, TAC, TELA, USI, GRUPONós LSC, TAC, TDD, CNF, UTR

Pontos_em_Nós CGS, PAS, PDS, E2M, GRCMPTipos_Ponto OCR, TCTL, NV1, NV2, E2M

Conexões CXU, ENU

SCADA Pontos_em_Conexões CGF, PAD, PAF, PDD, PDF, NV1, NV2

Tabela I - Relação das entidades do SAGE com as tabelas da base fonte proposta.

6. Conclusões

O desenvolvimento deste sistema para a geração da base fonte foi fundamental na implantação doSAGE na CEEE-GT. Foram utilizadas para configurar a base do COS, hoje com 28.000 pontos lógicose 37.000 pontos físicos, basicamente duas pessoas. A parte SCADA foi configurada num período decerca de 1 ano e a EMS em 4 meses. O sistema de geração continua sendo aperfeiçoado e está sendointensamente utilizado para a migração da varredura das UTR's do sistema antigo para o SAGE, bemcomo para a ampliação e manutenção do sistema de supervisão e controle.

Não há dados precisos para comparar a quantidade de homens-hora que seriam utilizados em umprocesso convencional de configuração de base do SAGE com o descrito neste artigo. Todavia,verificou-se que a utilização dos editores dos modelos SCADA e EMS, onde os dados sãoapresentados na forma tabular, permitindo a visualização simultânea de diversos registros e dos inter-relacionamentos entre as tabelas, além da utilização de listas de múltipla escolha e de filtros, agilizousobremaneira a entrada de dados. Obteve-se ainda uma maior consistência das informações.

O sistema, pela utilização de banco de dados relacional, permite a manipulação da base por múltiplosusuários simultâneos. As consultas e atualizações são imediatas, evitando a proliferação de versões dearquivos texto e de planilhas. As tabelas da base são replicadas em um servidor reserva e backups sãofeitos periodicamente para garantir a disponibilidade e a preservação dos dados.

A padronização e a forte tipagem dos pontos supervisionados permitiu que diversas aplicaçõesextraiam informações sobre os mesmos e sobre a topologia do sistema elétrico para seautoconfigurarem, evitando assim muito trabalho manual. Ex: criação automática de telas tabulares erelatórios de consulta aos dados históricos.

Como perspectiva futura, já em estudo, pretende-se integrar os bancos de dados dos diversos setoresda empresa (Engenharia de Sistema, Proteção, Manutenção, Operação e Supervisão) com o objetivo deevitar a duplicação de dados e esforços de manutenção, bem como reduzir as inconsistências e a faltade padronização dos dados. Por exemplo, os dados da base EMS do SAGE, tais como os parâmetros

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de linha de transmissão, seriam obtidos durante a geração dos arquivos DAT diretamente da basemantida pelo pessoal de Engenharia de Sistemas.

BIBLIOGRAFIA

[1] A.R.G. S. Paulo, A.V.Zampieri, S.R.O.Lopes e R.L.Olsen, Estimador de Estados Como Apoio aOperação em Tempo Real da CEEE - Cases de Utilização e Não-Utilização, IX EDAO, Rio Quente,GO, Março de 2007.

[2] R.L. Olsen, Integração dos dados da Supervisão de Tempo Real à Intranet Corporativa da CEEE,V SIMPASE, Brasil.

[3] CEPEL, Manuais de configuração do SAGE.

DADOS BIOGRÁFICOS

Nome: Ricardo Lastra OlsenNaturalidade: Porto Alegre – RSFormação:Engenharia Elétrica – UFRGS – 1990 – P. Alegre.Mestre em Engenharia – Instrumentação Eletro-Eletrônica – UFRGS – 1992 – Porto Alegre.Área de Atuação: Engenheiro do Departamento de Supervisão e Controle da CEEE-GT.

Nome: Assis Rogério Gomes da Silva PauloNaturalidade: Goiânia - GOFormação:Engenharia Elétrica - UFG - 2003 - Goiânia.Mestre em Engenharia - Sistemas de Energia Elétrica - UFSC - 2006 - Florianópolis.Área de Atuação: Engenheiro do Departamento de Supervisão e Controle da CEEE-GT.