Plataforma Didática para Treinamento em Automação de
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1. N o por acaso as concession rias de energia caminham hoje para a automa o de seus sistemas de distri bui o os quais passam a ser controlados por cen tros de opera o remotos Para orientar o fluxo de energia uma subesta o realiza manobras com seus dispositivos de chavea mento Manobras s o segii ncias de comandos de chaveamento com um objetivo como por exemplo ligar uma cidade a um ponto da rede de distribui o Cada passo da manobra realizado de forma inde pendente e um pr ximo passo s executado se todos os passos anteriores n o apresentaram erros BRA ND et al 2003 903 Os dispositivos de chaveamento como chaves sec cionadoras e disjuntores permitem as opera es das subesta es Chaves seccionadoras auxiliam o isolamento de partes da rede el trica e podem ou n o serem abertas sob carga Os disjuntores s o respons veis pela interrup o do circuito propria mente dita e devem ser capazes de extinguir qual quer arco voltaico gerado por ela ROSSI 2004 O acionamento dos dispositivos de chaveamento parte cr tica da automa o de uma subesta o devi do ao risco s pessoas pr ximas do equipamento no momento do chaveamento Para verificar o seu es tado de chaveamento os dispositivos possuem contatos auxiliares acoplados aos principais cujas posi es representam o estado de chaveamento principal aberto ou fechado A informa o dos contatos auxiliares pode ser transform2. a tarefa executa da O processo ilustrado pela Figura 4 Inicio Desabilita interrup es Habilita interrup es Figura 4 Fluxograma das fun es de controle dos comuta dores 4 Testes e Resultados Nesta fase de desenvolvimento e testes o sis tema embarcado foi substitu do pelo kit did tico NEO201 EXSTO 2014 baseado no microcontrola dor PIC18F4550 MICROCHIP 2014 O kit possui dentre outros perif ricos um LCD Alfanum rico 16x2 posi es um barramento de LED s e um te clado de 16 teclas conforme mostrado pela Figura 5 Para realizar o teste das bibliotecas foi criado um software principal que utiliza o teclado e o display de LCD de uma placa de desenvolvimento micro controlada para simular o comando de manobras ou falhas e fornecer ao operador o feedback da opera o O barramento de LED s dispon vel permitiu conferir se as sa das estavam sendo acionadas cor retamente O programa supervisiona o teclado e dependendo da tecla pressionada liga ou desliga uma manobra 907 4 o Wii n os a YT Figura 5 Placa de desenvolvimento utilizada nos testes O barramento de LED s permitiu a confer ncia da ordem de acionamento dos comutadores e pode ser comprovado que as chaves seccionadoras s o aci onadas a vazio e o disjuntor chaveado por ltimo Os delays inseridos para debouncing permitem a confirma o visual dos resultados Foi realizado um teste exaustiv
3. e software para permitir que o usu rio possa simular falhas no sistema de sistema f sico Isto traz uma resposta mais parecida com a real onde os proble mas de bouncing e tempo de acionamento das cha ves pode ser simulado por rel s e contatores 2 Apresenta o do conjunto 2 O conjunto proposto constitu do de duas partes uma implementada em hardware e uma em software O hardware respons vel por simular o funcionamento de uma chave real com todos os problemas intr nsecos a este tipo de acionamento como bouncing atrasos na resposta e modos de falha O software respons vel por permitir o con trole e a automa o destes componentes utilizando um modelo de software que pode ser modificado pelo usu rio 5 Vdc Patua o PRealimenta o Figura 1 Circuito de interface projetado com possibilidade de simula o de falhas Os componentes da subesta o s o simulados utili zando placas aut nomas de circuitos eletr nicos com rel s os quais ser o acionados pelo controla dor atrav s de um transistor conforme Figura 1 O estado de chaveamento disponibilizado para o controlador por meio de um optoacoplador Estes circuitos tamb m possuem chaves que possibilitam 904 mant lo num estado definido ligado ou desligado Desta forma poss vel simular falhas em cada um dos componentes da subesta o A utiliza o de placas aut nomas permite a cons tru o de modelos em qualquer topolo
4. Anais do XX Congresso Brasileiro de Autom tica Belo Horizonte MG 20 a 24 de Setembro de 2014 PLATAFORMA DID TICA PARA TREINAMENTO EM AUTOMA O DE SUBESTA ES UTILIZANDO SISTEMAS EMBARCADOS DANIELY DA S MACHADO MARIANA RODRIGUES RODRIGO M A ALMEIDA IESTI Universidade Federal de Itajub CEP 37500 905 Itajub Minas Gerais Brasil E mails daniely dsm gmail com rodrigues marianaftgmail com rodrigomax funifei edu br Abstract It is presented in this document a student operator training set for substation automation composed by a hardware system which simulates substation components and a core which implements maneuver control rules Electri cal components are simulated by independent relay circuit boards while the control core includes a microcontroller pro grammed in C language and the electronic interface necessary to trigger the circuit boards The usage of independent circuit boards allows the assembly of several substation architectures and the software model is built so that its expan sion is easy and accessible taking into consideration constructive and security aspects Tests show that all interlocking and security rules are followed making the set a viable alternative for student training Keywords Substation Automation Embedded Systems Training Set Resumo Neste trabalho apresentado um sistema para treinamento de estudantes ou operadores em automa o de subesta es composto por um sist
5. Deve sempre haver um dis juntor na manobra e As chaves S2A UX e S3L2 s o mutuamente excludentes Deve sempre haver um dis juntor na manobra e As chaves SIAUX e S2AUX s o mutua mente excludentes A linha auxiliar pode alimentar apenas uma cidade por vez e O disjuntor DI s pode ser ligado caso o par lt SILI SECI gt ou o par lt SIL2 SECI gt j estiver ligado Manobra 0 e Manobra 1 e O disjuntor D2 s pode ser ligado se ou o par lt S2L1 SEC2 gt ou o par lt S2L2 SEC gt j estiver ligado Manobra 3 e Manobra 4 e O disjuntor DAUX s pode ser ligado quando ou o par lt S1A UX S3L2 gt ou o par lt S2A UX S3L1 gt j estiver ligado Mano bra 2 e Manobra 5 3 3 Desenvolvimento das bibliotecas Na biblioteca Driver foram desenvolvidas tr s fun es para cada comutador On Off e Test as quais respectivamente ligam desligam e testam o estado de chaveamento de cada comutador As fun es enviam o comando para o comutador e aguardam o sinal de retorno atrav s da realimenta o realizada pelos contatos do rel simulando um contato real Apenas quando o sinal correto chega ao controlador o mapa interno de vari veis alte rado indicando que a opera o foi realizada corre tamente No caso de algum problema o sistema aguarda um tempo m ximo antes de remover o co mando e sinalizar que h falhas na opera o O tem po m ximo esperado tamb m ajuda o controlador a lidar com o aspe
6. ada em uma informa o bin ria verdadeiro ou falso como aux lio de circuitos apropriados BRA ND et al 2003 Em subesta es de alta e m dia tens o as chaves seccionadoras s podem ser acionadas a vazio sem carga Assim para garantir a seguran a do opera dor e dos equipamentos o controle das chaves deve seguir regras de intertravamento na sua ope ra o O intertravamento deve garantir que apenas manobras corretas sejam executadas evitando a Anais do XX Congresso Brasileiro de Autom tica Belo Horizonte MG 20 a 24 de Setembro de 2014 ocorr ncia de erros operacionais GALDEANO s d Antes da manobra ser iniciada as regras de inter travamento devem ser verificadas e caso algum erro ou algum impedimento para a manobra seja detecta do a manobra abortada poss vel detectar erros de acionamento contrapondo o estado esperado e o estado real do dispositivo este obtido pelos seus contatos auxiliares BRA ND et al 2003 Neste trabalho apresentada uma abordagem de ensmo e simula o de conceitos de automa o de subesta es baseada em uma configura o flex vel e sistemas embarcados utilizando programa o em linguagem C em microcontroladores A abordagem permite o aluno operador aprender os conceitos de automa o de subesta es de maneira ampla pelo sistema flex vel e com seguran a j que nenhum elemento de alta tens o est envolvido Optou se por uma abordagem mista de hardware
7. ado de rotina de interrup o Em gran de parte dos casos as interrup es auxiliam a su pervis o de perif ricos do microcontrolador j que enquanto o perif rico n o termina a tarefa atual o processador est livre para executar outras tarefas aumentando ent o a efici ncia do sistema BARR 1999 As interrup es podem ser habilitadas ou desabilitadas e seu n mero e uso variam conforme o microcontrolador utilizado CA TSOULIS 2005 Uma instru o em linguagem C quando compilada pode se transformar em v rios comandos em lin guagem Assembly a linguagem de programa o que o microcontrolador entende Assim o micro controlador pode ser interrompido no meio de uma instru o na linguagem C Em algumas aplica es existem a es consideradas cr ticas ou at micas ou seja que n o podem ser interrompidas SIMON 2005 Anais do XX Congresso Brasileiro de Autom tica Belo Horizonte MG 20 a 24 de Setembro de 2014 No conjunto proposto as fun es de LIGA e DESLIGA das chaves n o podem ser interrompidas correndo o risco de gerar inconsist ncia no estado das chaves Tal problema pode resultar em um acio namento errado de uma chave o que poderia causar um curto circuito Assim as fun es de LIGA e DESLIGA das chaves s o tratadas como fun es at micas Para atingir este resultado as interrup es do microcontrolador s o desabilitadas antes de alterar o estado da cha ve sendo habilitadas depois que
8. cto mec nico dos comutadores evitando assim problemas de bouncing H ainda na biblioteca uma rotina de inicializa o que confi gura as entradas e sa das necess rias para os acio namentos Na biblioteca Intertravamento foram desenvolvi das rotinas que testamas regras de intertravamento antes do chaveamento de qualquer um dos compo nentes As rotinas testam as condi es e n o ha vendo impedimento utilizam as rotinas da biblioteca Driver para realizar o chaveamento dos comutado res Al m de uma rotina de inicializa o existe tam b m a rotina ProcuraErro a qual verifica incon sist ncias entre os comandos emitidos e os estados das chaves e retorna qual chave apresenta incon sist ncia A biblioteca Manobra cont m rotinas que ligam e desligam as manobras dispon veis para a planta em quest o Tabela 1 Para acionar os comutadores s o utilizadas as rotinas da biblioteca Intertrava mento o que garante que os chaveamentos sejam 906 feitos com seguran a Para facilitar a opera o de manobras pelo usu rio da biblioteca foram criadas fun es gen ricas para ligar desligar ou testar ma nobras cujo par metro corresponde ao n mero da manobra conforme a Tabela 1 As fun es gen ri cas utilizam vetores de fun o para realizar a cha mada da manobra certa A fun o espec fica cha mada pela fun o gen rica depende do ndice for necido como par metro As fun es de opera o das manobras
9. ema de hardware para simula o dos componentes da subesta o e um n cleo para im plementa o das regras de controle que realizam as manobras Os componentes el tricos s o simulados por meio de pla cas aut nomas com rel s enquanto o n cleo de controle cont m um microcontrolador programado em linguagem C e a interface necess ria para o acionamento das placas eletr nicas O uso de placas aut nomas permite montar v rias topo logias de subesta o e o software constru do visando a facilidade de uso e escalabilidade levando em considera o as pectos construtivos e de seguran a Os testes demonstram conformidade com as regras de intertravamento e de seguran a para o modelo de subesta o apresentado tornando o conjunto uma alternativa vi vel para o treinamento de alunos Palavras chave Automa o de subesta es Sistemas Embarcados Kit Did tico 1 Introdu o Subesta es s o parte importante do sistema el trico sendo utilizadas para direcionar o fluxo de pot ncia no sistema el trico Podem realizar a inter face de uma unidade geradora ao sistema a conver s o entre faixas de tens o ou a interliga o de v rias linhas de fornecimento que se encontram em um mesmo n vel de tens o GILES 1970 A automa o de subesta es aumenta a confiabili dade e a flexibilidade do sistema diminui o custo operacional e ainda pode auxiliar na identifica o e recupera o de falhas BRAND et al 2003
10. esta funcional dade poss vel mostrar ao usu rio de forma mais intuitiva o estado do sistema ou poss veis falhas que ocorram Outra possibilidade de aprimoramento a adapta o do sistema para uma forma mais gen rica na qual o usu rio n o necessite construir rotinas para cada componente ou manobra utilizando se de es truturas de dados mais robustas Refer ncias Bibliogr ficas BARR Michael Programming Embedded Systems in C and C Estados Unidos OReilly amp Associates Inc 1999 191p BRAND Klaus Peter LOHMANN Volker WIMMER Wolfgang Substation automation handbook Su a Utility Automation Consulting Lohmann 2003 397p CATSOULIS John Designing Embedded Hardware Estados Unidos O Reilly amp Associates Inc 2005 398p EXSTO Tecnologia XM111 Banco de Ensaios para Microcontroladores PICISF http www exsto com br produto microcontroladores e microprocess adores xml1l1 banco de ensaios para microcontroladores picl8f desenvolvimento Acessado em 10 01 2014 GALDEANO DuilioManzano Comando e controle de subesta es FO9l2 Itajub s n s d 100p GILES Robert L Layout of E H V substations London Cambridge University 1970 223 p IEE Monograph Series 5 MICROCHIP Technology Inc PICI8F4550 http www microchip com wwwproducts Devi ces aspx dDoc Name en010300 Acessado em 10 01 2014 ROSSI Ronaldo Subesta es El tricas de Alta Tens o Opera o e Ma
11. gia de subes ta o possibilitando o treinamento de v rias situa es e configura es com o mesmo conjunto de hardware al m de inserir no sistema de treinamento situa es reais como atraso na resposta do aciona mento e bouncing das chaves O n cleo de controle cont m um microcontrolador e a interface eletr nica de entrada sa da necess ria para o acionamento das placas eletr nicas O micro controlador cont m um software de controle das manobras e acionamentos al m de rotinas para a detec o de erros nos estados das chaves O modelo do software foi desenvolvido em lingua gem C Esta uma linguagem de programa o am plamente utilizada em sistemas embarcados devido sua caracter stica baixo n vel significando que o programador possui um bom controle do hardwa re sem perder as vantagens de linguagens ditas de alto n vel mais amig veis na programa o BARR 1999 A linguagem C ainda torna a aplica o port til entre diferentes dispositivos j que a programa o se torna independente do microprocessador utilizado BARR 1999 Isso aumenta ainda mais a flexibilida de do sistema j que qualquer microcontrolador pode ser utilizado para o circuito de controle Optou se neste trabalho por construir o sistema em camadas crescentes em complexidade Deste modo as fun es similares est o agrupadas e organizadas num mesmo n vel O modelo desenvolvido apre sentado na Figura 2 Camada de A
12. ili tar sua expans o caso o n mero de entradas ou sa das aumente 3 Desenvolvimento do Software Foi utilizado como base uma planta de simula o de subesta o existente no Laborat rio de Sis temas de Automa o LSA do Instituto de Enge nharia de Sistemas e Tecnologia da Informa o IESTI da Universidade Federal de Itajub UNIFEJ Esta representada pelo diagrama unifilar da Figura 3 A planta conta com 3 linhas el tricas 10 chaves seccionadoras e tr s disjuntores no i B DAUX SEC1 S1AUX pas s a g e C City 1 e City 2 gt Figura 3 Diagrama unifilar da maquete Um dos motivos para a utiliza o desta topologia aumentar a capacidade do laborat rio permitindo que os alunos tenham duas plantas de simula o com topologias iguais mesmo que com modos de acionamentos diferentes 5 1 Manobras do Sistema O conjunto de manobras poss veis na planta apresentada reduzido por m suficiente para as experi ncias em sala de aula al m de permitir aos alunos um primeiro contato com manobras e opera es em uma subesta o Como as chaves seccionadoras s podem ser acio nadas a vazio GALDEANO s d cada manobra 905 para ligar ou desligar uma cidade na planta deve incluir um disjuntor Partindo deste princ pio as manobras do sistema s o exibidas pela Tabela 1 que explicita quais componentes devem estar fe chados em cada uma Tabela 1 Manobras dispon veis na planta u
13. nuten o Itajub MG s n 2004 164p SIMON David E An Embedded Software Primer ndia Pearson Education 2005 424p
14. o para teste do inter travamento das opera es e sua conformidade com as condi es estabelecidas na se o 3 2 O resulta do destes testes resumido pela Tabela 2 a qual indica quais manobras nas colunas puderam ser ligadas simultaneamente quando a manobra da linha estivesse ligada Os n meros das manobras s o os mesmos da Tabela 1 Tabela 2 Manobras simult neas Percebe se pela Tabela 2 que as regras de intertra vamento apresentadas foram respeitadas Tamb m foram realizados testes para simula o de falhas O acionamento de um bot o foi configurado para alterar o estado de um dos elementos por exemplo o disjuntor D1 do esquema da Figura 02 Se alguma das manobras que utiliza o disjuntor D1 estivesse ligada Manobra O ou Manobra 1 a roti na de automa o encontra a inconsist ncia e auto maticamente desliga a manobra em uso e utiliza a manobra alternativa para continuar a alimenta o A Figura 6 apresenta o sistema detectando uma falha na chave SILI e automaticamente trocando a ali menta o da cidade 1 para o barramento auxiliar representado pelos tr s LED s acessos Anais do XX Congresso Brasileiro de Autom tica Belo Horizonte MG 20 a 24 de Setembro de 2014 Figura 6 Detec o de falhas e recupera o autom tica do sistema 5 Conclus o O modelo de software proposto permite cumprir de modo simplificado as regras rotmeiras em uma subesta o podendo ser utilizado para treinamento na au
15. plica o Configura o lt main Camada de Automa o Manobra gt Automa o Camada de Hardware Intertravamento Driver Figura 2 Modelo de software Cada camada possui uma responsabilidade espec fica seja o desenvolvimento da aplica o a auto matiza o dos processos de checagem ou a manu ten o da seguran a Estas camadas s o Camada de aplica o a interface do programador com o restante do sistema podendo fornecer infor ma es sobre quais manobras foram executadas e Anais do XX Congresso Brasileiro de Autom tica Belo Horizonte MG 20 a 24 de Setembro de 2014 realizar manobras manualmente por meio de bot es de acionamento Camada de automa o a biblioteca Manobra im plementa as manobras dispon veis e por isso de pendente da topologia da subesta o J a bibliote ca Automa o armazena manobras auxiliares para recupera o do sistema em caso de falha Nesta biblioteca o programador define quais s o as ma nobras auxiliares e qual a prioridade de cada uma delas Camada de Hardware realiza a interface direta com o acionamento dos componentes A biblioteca Driver respons vel por ligar desligar os comutadores e a biblioteca Intertravamento garante que as regras de intertravamento dos comutadores sejam obedeci das A organiza o do software em camadas auxilia o tratamento e depura o do software al m de fac
16. tilizada City 02 City 01 SILI D1 Linha 01 SEC S112 D1 SEC Linha 02 Aux 3 2 Regras de intertravamento Com o intuito de simular o ambiente real algu mas regras de distribui o foram desenvolvidas de forma a restringir a gama de opera es na planta e A linha auxiliar pode alimentar apenas uma cidade por vez e Cada cidade alimentada por apenas uma linha e As limhas principais Linha 01 e Linha 02 podem alimentar mais de uma cidade caso a oferta de pot ncia supra a demanda As duas primeiras regras s o est ticas e podemser inferidas apenas com o estado dos elementos da subesta o ligados ou desligados A terceira regra necessita de uma medi o de uma grandeza cont nua em geral corrente pelo barra mento e amda n o foi implementada nesta primeira vers o do Software Assim a partir das manobras e das regras de distri bui o podem ser inferidas as regras de mtertrava mento da planta e As chaves SILI e SIL2 s o mutuamente excludentes ou seja uma s pode ser aci onada se a outra estiver desligada e os dois componentes nunca entram em ope ra o paralelamente A cidade alimentada por apenas uma linha Anais do XX Congresso Brasileiro de Autom tica Belo Horizonte MG 20 a 24 de Setembro de 2014 e As chaves S2Ll e S212 s o mutuamente excludentes A cidade alimentada por apenas uma linha e As chaves SIAUX e S3L1 s o mutuamente excludentes
17. toma o de subesta es A constru o do sistema em camadas permite a f cil expans o do sistema possibilitando que os alunos possam testar novas alternativas e topologias modificando apenas a camada de manobras o que n o poss velcoma planta instalada no laborat rio A realiza o de testes de funcionamento de outras abordagens de automa o tamb m simplificada j que todas as medidas de seguran a est o imple mentadas em camadas n o acess veis ao usu rio Isto aliado s vantagens da programa o em lin guagem C permitem ao aluno desenvolver sistemas bastante complexos do ponto de vista computacio nal Os testes realizados coma plataforma desenvolvida s o mais eficientes a medida que o hardware desen volvido consegue simular com maior fidelidade os eventos reais bouncing das chaves atraso na res posta e falhas nos elementos Por fim a flexibilidade do sistema atrelado ao seu baixo custo e um bom n vel de detalhes simulados torna o conjunto apresentado uma alternativa vi vel para o treinamento dos alunos na automa o de subesta es bem como na pr tica de desenvolvi mento para sistemas embarcados 908 As pr ximas possibilidades de aprimoramento in cluem a cria o de uma interface com um computa dor por comunica o serial para aprimorar a inte ra o do usu rio com o sistema e permitir a simula o no ambiente virtual de elementos invi veis de serem adicionados na planta Com
18. verificam as condi es iniciais para que a manobra possa ser realizada e ligam os com ponentes um a um lembrando que pelo fato da chave seccionadora ter que operar a vazio o disjun tor o ltimo componente a ser ligado Cada passo da manobra verificado e caso um comando tenha sido emitido e resultado em erro a execu o da ma nobra cancelada e todas as a es realizadas na quela manobra s o desfeitas Por fim a biblioteca Automa o cont m uma nica rotina TesteAutomacao que procura falhas no sistema e age para consert las A rotina auxiliada por duas matrizes uma que armazena a rela o entre os componentes do sistema e as manobras dispon veis e outra que armazena as manobras alternativas para o caso de problemas em cada uma das mano bras Caso a fun o ProcuraErro da biblioteca Intertravamento encontre alguma inconsist ncia verificada qual manobra est ligada e cont mo dis positivo com problema Quando esta manobra encontrada ela desligada e s o tentadas as ma nobras alternativas As manobras alternativas s o cadastradas em uma matriz cujas linhas correspon dem ao n mero da manobra conforme a Tabela 01 e as colunas correspondem ao n mero de uma mano bra alternativa 3 4 Considera es sobre atomicidade caracter stica dos microcontroladores tratar interrup es Interrup es s o sinais que interro m pem o programa principal para executar um outro c digo cham
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