EXPERIÊNCIA DA ALSTOM NA IMPLANTAÇÃO DE UM “COG” PARA
OPERAÇÃO REMOTA DE PCH’s ATRAVÉS DE COMUNICAÇÃO VIA SATÉLITE
Orlando Fernandes de
Oliveira Neto
Sebastião Gomes Neto
Consultor
Coordenador Técnico
Alstom Hidro Brasil
Energia Ltda
Edson Ricardo da Rocha
Lima
Consultor
Alstom Hidro Brasil
Energia Ltda
Alstom Hidro Brasil
Energia Ltda
BRASIL
RESUMO
Este trabalho visa descrever todas as etapas, desta experiência de sucesso, transcorridas
pela Alstom no desenvolvimento e implementação de um COG (Centro de Operação de
Geração) remoto para operação de, inicialmente, 13 PCH’s distribuídas pelo território
brasileiro da seguinte forma: 3 PCH’s no estado de Goiás, 3 PCH’s e 1 Subestação no
estado do Rio de Janeiro, 3 PCH’s no estado de Minas Gerais e 4 PCH’s no estado do
Espírito Santo através de comunicação via satélite. O projeto foi desenvolvido visando uma
solução econômica e funcional para operação simultânea de várias PCH’s. O custo de
operação individual de PCH’s é relativamente elevado para a quantidade de energia gerada
(Potência máxima de 30 MW por PCH). Devido à posição geográfica das mesmas tornou-se
necessário encontrar uma solução que fosse viável técnica e economicamente para a
operação de várias PCH’s simultaneamente. A solução implementada possibilitou manter as
PCH´s desassistidas, ou, dependendo do caso, com apenas um operador trabalhando em
horário comercial.
PALAVRAS CHAVE
Centros de Supervisão Remoto;
Comunicação via Satélite;
Centro de Controle Remoto; Operação Remota;
Alstom Hidro Energia Brasil Ltda. – Tel: +55 11 3612-7341 – Av. Embaixador Macedo
Soares, 10.001 – Edifício 41/P4 - S. Paulo – SP – Cep: 05095-035
Email: [email protected]
1. Introdução
Devido às necessidades de se reduzir os custos de operação e manutenção de PCH’s
(Pequenas Centrais Hidroelétricas) cujas potências instaladas não ultrapassam 30 MW,
tornou-se necessária à busca de uma solução que trouxesse os mesmos benefícios das
usinas operadas localmente, mas com um custo relativamente bem menor.
2. Descrição do COG
Para atender às necessidades, a Alstom desenvolveu um COG, constituído por um sistema
baseado no produto ALSPA P320 da Alstom, em configuração redundante, responsável pela
tele-operação e supervisão até 50.000 pontos, entre digitais, analógicos e de comandos. O
sistema tem condições de operar em torno de 25 PCH’s, tendo em vista que cada PCH tem
aproximadamente 1800 pontos. O COG possui 3 postos de operação com 2 monitores cada
(fig. 1), possibilitando a 3 operadores de interagirem com o sistema ao mesmo tempo. Em
caso de necessidade poder-se-á aumentar o número de consoles. Todos os consoles
podem acessar os dados de todas as PCH’s. O operador é quem decide quais dados serão
exteriorizados na tela.
Fig. 1 – Arquitetura do Sistema Digital do COG – Rio de Janeiro
Além das estações de operação foi instalado, na sala de controle, um “Vídeo-Wall”, para
apresentação de quaisquer das telas do sistema.
2.1.
Níveis de Controle e Supervisão
A estrutura de um Sistema de Automação e Supervisão de uma Central Hidroelétrica
compreende diferentes níveis hierárquicos, conforme se descreve a seguir:
2
2.1.1.
Nível 1
Neste nível encontram-se os equipamentos primários, tais como, motores, bombas,
compressores, válvulas, disjuntores, seccionadoras, comportas, sensores, reguladores de
grupo, etc. Assim como seus quadros de interface e controle manual.
Desde os equipamentos primários e/ou seus quadros de interface, se obtém os sinais do
processo e se recebem os comandos para os acionamentos.
Deste nível se pode operar alguns equipamentos para manutenção e testes associados a
sistemas próprios de controle e sinalização. Excepcionalmente, em casos de falhas nos
equipamentos de controle de níveis superiores, se pode operar neste nível ou por critérios
de operação e manobra da Central.
2.1.2.
Nível 2
O segundo nível corresponde aos diferentes autômatos para operação dos equipamentos
primários (Nível 1) associados. Cada programa estabelecido em autômato assegura todas
as seqüências, intertravamentos, bloqueios e controle requerido para os equipamentos
primários de modo autônomo.
Neste nível se encontram os autômatos que controlam os diferentes processos do grupo
turbina-gerador e quadros de serviços auxiliares e também interfaces com sistemas de
controle da barragem (tomada d´água e vertedouro), e subestação.
2.1.3.
Nível 3
Neste nível encontra-se o sistema centralizado composto de unidades de supervisão e
controle da Central Hidroelétrica.
Será composto de computadores tipo PC com funcionalidade para estações de operador de
onde se poderá realizar o controle e supervisão dos equipamentos da PCH e acesso a
diferentes dados de processo para consulta, elaboração de relatórios e outras funções para
gerenciamento e manutenção do sistema. Estes computadores se ligam por meio de uma
rede local com os distintos equipamentos do Nível 2, para formar um sistema de controle
digital distribuído.
As funções principais que englobam neste nível são: representação visual e controle de
processo, tratamento de alarmes, registro de alarmes, elaboração e armazenamento de
relatórios de operação, elaboração de curvas de tendências, inibição de sinais, etc.
Este nível disponibiliza também um Módulo de Comunicação que implementa o protocolo
IEC 60870-5-104, cujo objetivo é de estabelecer uma comunicação entre o Sistema de
Controle da PCH e o Centro de Operação Remoto de Nível 4 (COG instalado no Rio de
Janeiro).
Neste nível será considerada função de intertravamento através de software para impedir a
simultaneidade de dois comandos, que se pode originar da estação de operador de Nível 3
(PCH) ou à distância pelo Centro de Operação Remoto de Nível 4 (COG).
2.1.4.
Nível 4
Este nível de controle se refere ao Centro de Operação de Geração (COG), que realizará o
controle e supervisão remota das PCH´s.
A comunicação entre o gateway de comunicação do Nível 4 e o gateway de comunicação do
Nível 3 se processa através de links via satélite.
2.2.
Modos de Funcionamento
A operação das PCH´s está implementada em vários níveis permitindo os seguintes modos
de funcionamento:
3
Quanto à origem dos comandos sobre a instalação (tipo de comando):
-
Por operador externo ao sistema (Nível 1):.................................... Local
-
Através da Sala de Comando (Nível 3):.......................................... Centralizado
-
Através do Centro de Operação Remoto (COG) (Nível 4):............. Remoto
Após ser ligado e cumprir com sucesso as operações de auto-teste, os autômatos dos
grupos geradores, e dos serviços auxiliares ficarão em modo Local de operação.
-
Local:......................
O autômato apenas vigia a instalação. Qualquer atuação
sobre a instalação terá de ser executada pelo operador nos
quadros do grupo.
-
Centralizado:..........
O comando da PCH será realizado através das IHM´s da
Sala de Controle da PCH.
-
Remoto:..................
O comando da PCH será realizado através do Centro de
Operação Remoto (COG – Rio de Janeiro).
A comutação entre os modos Local/Centralizado far-se-á por comutador próprio instalado
nos quadros do grupo, prevalecendo sobre qualquer um dos outros modos de níveis de
controle superiores.
A comutação entre os modos Centralizado/Remoto far-se-á por comutador lógico presente
nas telas da Sala de Controle da Central.
2.3.
Funções Principais do COG
O Sistema de Controle e Supervisão Remoto (COG) inclui o conjunto de equipamentos de
“hardware” e programas de “software”, denominado Sistema de Controle e Supervisão
ALSPA P320 de fabricação Alstom, que proporciona facilidades de interface gráfica, garantia
de segurança operacional, agilidade a acesso de dados e elevados índices de
disponibilidade e desempenho e atendem a todos os requisitos específicos para aplicações
em controle e supervisão de centrais hidroelétricas.
As funções abaixo são executadas pelo Sistema da Sala de Controle Remota em conjunto
com os Sistemas de Controle Locais das PCH´s. As funções principais são:
-
Controle e aquisição de dados para os grupos turbina-gerador;
-
Partida total ou parcial de cada grupo turbina-gerador;
-
Parada normal/emergencial ou por atuações de bloqueios e proteções;
-
Comando e controle de válvulas e bombas;
-
Interface com os relés de proteção tipo estático e digital, dos geradores e
transformadores;
-
Interface com os dispositivos de regulação de velocidade e tensão;
-
Sincronização dos grupos turbina-gerador;
-
Controle e aquisição de dados dos serviços auxiliares em corrente contínua e
corrente alternada;
-
Controle e aquisição de dados de outros sistemas das PCH´s, como o sistema de
refrigeração, ventilação e ar acondicionado, ar comprimido, etc.
Controle e aquisição de dados das barragens das PCH´s (Tomada d´água e
Vertedouro);
-
4
-
Controle e aquisição de dados das Subestações associadas às PCH´s;
-
Registro dos defeitos e mudanças de estado de equipamentos e do sistema de
proteção;
-
Interface com o Operador Nacional do Sistema (ONS).
2.4.
Comunicação com ONS
A comunicação com o ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico) até o momento não foi
efetivada, mas o Sistema Digital do COG está preparado tanto em hardware quanto em
software para essa comunicação.
O sistema terá dois canais de comunicação serial a 9600 bps operando através do protocolo
IEC 60870-5-101 com banco de dados específico seguindo a recomendação do ONS.
Caso a comunicação seja requerida, a mesma poderá ser ativada a qualquer momento.
3. Descrição do Sistema de Comunicação
3.1.
Considerações iniciais
A definição pela utilização de comunicação via satélite é decorrente da posição geográfica
de cada PCH que se encontra, quase sempre em local isolado não atendido por uma
Operadora de Serviços de Telecomunicações.
Fig. 1 – Posição Geográfica das PCH´s
Mesmo que uma Operadora se dispusesse a fazer os grandes investimentos em redes de
comunicação, requeridos nesses casos, muito provavelmente, os custos sobre as empresas
tomadoras do serviço seriam insuportáveis, uma vez que deverão arcar com as diferenças
5
entre a remuneração esperada pela operadora e as receitas com o tráfego gerado, que nas
tarifas convencionais, seriam muito baixas e comercialmente desinteressantes. A isso, deve
se acrescentar o fato de que a manutenção desta rede que teria pouca prioridade devido
aos mesmos fatores descritos.
Por se tratar de um serviço de custos elevados a primeira providência foi levantar as reais
necessidades de comunicações para cada uma das PCH’s tanto no que se refere a
aplicação de dados (transferência de estados da PCH ao Centro, bem como a transferência
de telecomandos do centro a PCH), e ainda as necessidades de comunicações de voz
operativa (hot-line da PCH com o COG), e administrativa (acesso à Rede Pública a partir do
PABX do COG).
Observamos ao longo dos contatos realizados com os provedores de serviço de satélite que
são tratados de forma distinta os canais de comunicação de dados e os canais de
comunicação de voz.
Observamos ainda que o segmento de maior impacto nos custos da comunicação por
satélite, para este caso, é o da banda a ser disponibilizada para as comunicações de dados
no sentido PCH’s - COG. Portanto, o dimensionamento correto desta banda teve especial
atenção a fim de se obter uma banda adequada necessária a aplicação, mas dentro de
parâmetros de custo que não comprometessem o empreendimento ou mesmo onerassem
as estimativas do empreendedor.
Em virtude da grande quantidade de canais de voz operativos (hot-line), podemos dizer que
também o segmento de voz comprometeu uma parcela significativa de custo já que um
roteador de grande porte teve que ser implantado para acomodar todas as interfaces
necessárias a este tipo de comunicação.
3.2.
Requisitos do cliente
A necessidade do Cliente consistia na criação de uma rede de comunicação de dados para
supervisão e controle, telefonia, imagem e acesso Internet entre as 14 estações remotas (13
PCH’s e 1 Subestação Interligadora de 138Kv) e o COG da Brasil PCH localizado na cidade
do Rio de Janeiro.
A solução adotada baseia-se na formação de uma rede de comunicação de dados e voz
constituída por interconexões dos 14 pontos remotos (PCHs) ao backbone de IP Banda
Larga via Satélite da Comsat, atual British Telecom (BT), e também a interconexão do COG
através de 2 enlaces de 2Mbps (principal e retaguarda) também ao backbone BT.
A seguir apresentaremos as premissas de dimensionamento do perfil de tráfego destas
localidades, bem como os equipamentos disponibilizados, necessários para o
gerenciamento dos diferentes tráfegos (dados, voz, imagem e internet)
3.3.
Características da Plataforma IP Banda Larga
A BT possui uma plataforma de serviços IP Banda Larga bidirecional via Satélite para
suporte a transmissões IP unicast e multicast, permitindo conexões ponto a ponto e ponto
multiponto.
Neste serviço, todos os pontos remotos estão conectados a uma Estação Hub, localizada no
Teleporto da BT em Hortolândia, Campinas.
A Estação Hub transmite um canal Downstream (Hub Remotas) de 40 Mbps que é
recebido pelos terminais remotos. As estações remotas enviam dados ao Hub através de
canais Upstream compartilhados (Remotas Hub) de 208kbps, 416kbps, 833kbps ou
1,6Mbps, em função da sua localização geográfica.
6
3.4.
Descrição Funcional da Solução
A solução técnica atende às necessidades de tráfego de dados de supervisão e controle,
telefonia operativa e corporativa, imagem e internet abrangendo as 14 localidades com o
ponto concentrador (COG - RJ) através de acessos dedicados.
São ainda integrados 6 Centros de Operação com facilidades de comunicação operativa de
voz com o COG-RJ, além de tráfego de dados para os centros regionais da CEMIG e
LIGHT.
3.5.
Definições de tráfego da Rede
Todas as facilidades exigidas foram dimensionadas levando –se em consideração as
premissas do cliente, bem como, a experiência da ALSTOM na implantação de centros de
operação da geração. As definições para este projeto são mostradas a seguir:
3.5.1.
Tráfego de Dados Operativos
Este serviço é oferecido pela BT através de um perfil previamente dimensionado e que
possui característica de performance suficiente para atender as localidades apontadas pelo
cliente. A definição uso de banda garantida foi definida para cada uma das estações, de
acordo com as características e informações levantadas junto ao cliente, e cujo
dimensionamento descrevemos a seguir.
Foi definido o IEC 104 como o protocolo a ser utilizado para as comunicações entre cada
PCH e o COG e vice versa.
Para este protocolo a quantidade de dados da mensagem completa (transmitida bit-a-bit
pelo meio físico) é a seguinte:
•
•
Camada de Aplicação: As mensagens (ASDU) da camada de aplicação do IEC-104
têm no máximo 254 bytes.
TCP: O cabeçalho TCP tem 20 bytes.
•
IP: O cabeçalho IP tem 20 bytes.
•
A camada de enlace utiliza mais alguns bits para controle dos datagramas, nesse
caso como estamos falando de um número praticamente insignificante, assumimos
que os mesmos estão contemplados no arredondamento final considerado para o
sistema.
Realizando-se o somatório dos bytes de cada uma das camadas, o tamanho máximo do
"pacote de dados" a ser transmitido no meio físico por requisição da camada de aplicação é
de aproximadamente 300 bytes por mensagem.
Utilizando a convenção definida pelo IEC-104, o tamanho da mensagem é de
aproximadamente 2.400 bits.
Sabe-se que a Norma IEC104 utiliza como base a Recomendação ITU-T X25 (Interface
Between Data Terminal Equipment (DTE) and Data Circuit-Terminating Equipment (DCE) for
Terminals Operating in the Packet Mode and Connected to Public Data Networks by
Dedicated Circuit), que determina a forma de troca de pacotes de dados (APDU's) entre os
equipamentos que comunicam neste tipo de configuração.
Esta Recomendação estipula, dentre outras coisas, alguns parâmetros configuráveis
referentes ao número de pacotes que podem ser trocados em um determinado espaço de
tempo entre dois equipamentos de comunicação, exatamente para que o sistema funcione
nos meios físicos onde é grande a possibilidade de ocorrência de múltiplas limitações como
largura de banda insuficiente, altos round-trip delays, limitações de buffer de transmissão, ou
conjuntos desses efeitos. Ela estipula também um mecanismo de proteção a perda e
7
duplicação de pacotes utilizando uma seqüência de numeração dos pacotes (Sequence
Number).
Os principais parâmetros à configurar são:
K - Maximum Number of Unacknowledged Transmit Frames : Este parâmetro indica
qual o máximo número de APDU's que se pode guardar no buffer sem reconhecimento
(resposta) antes de parar a transmissão. Esse parâmetro pode limitar a velocidade de
transmissão e também o espaço utilizado no buffer de transmissão.
W - Maximum Number of Unacknowledged Receive Frames : Tem o mesmo efeito de K
mas no contexto de recepção de pacotes.
A norma recomenda que W seja no máximo 2/3 de K (Como referência, existe uma fórmula
para o cálculo destes parâmetros no Apêndice 5 da Recomendação ITU-T X25).
Como o fornecimento de serviços de transmissão de sinais por satélite, é pontuado por
limitações tanto de banda de transmissão disponível como de custo dessa facilidade,
principalmente no segmento upstream (Estação Remota Teleporto), foi assumido o
compromisso de se efetuar o dimensionamento da banda de transmissão dentro de um
mínimo que fosse aceitável para a conveniente operação do processo elétrico.
Admitindo que a performance mínima aceitável para o canal de comunicação deveria
permitir a transmissão de pelo menos 5 frames antes do reconhecimento, durante o período
de 1 segundo, o número de bits transmitidos seria aproximadamente 12.000. Sendo assim,
adotamos um Fator de Segurança de 25% o que elevou a taxa de transmissão do canal de
dados, de cada estação escrava, para aproximadamente 16 kbps.
Esse dimensionamento foi aplicado ao volume de dados gerado em 11 das estações para
dados operativos considerando a assimetria entre o downstream e o upstream.
Adicionalmente, para as estações de Carangola e Funil que deveriam ainda possuir um
canal de dados adicional para comunicação com o COS CEMIG, foi adotada uma taxa de
transmissão upstream de 24 kbps. O mesmo critério foi aplicado para a Subestação de
Interligação que deveria possuir um canal de dados para comunicação com o COS Light.
3.5.2.
Tráfego de Voz (Telefonia Corporativa)
Para o tráfego de voz, a BT considerou a utilização de uma banda independente da banda
de dados. Desta forma, foi possível manter a qualidade da voz na rede IP Banda larga via
Satélite.
Para os serviços de voz foi considerado o dimensionamento com o tráfego de 0,1 Erl e taxa
de bloqueio de 1%, típico de utilização de voz em redes corporativas. Desta forma foi
implementado em cada estação remota hardware para 2 canais de voz analógicos FXS.
No total foram disponibilizados 20 canais de voz analógicos no COG-RJ para suportar o
tráfego das 14 estações remotas, bem como dos 6 Centros de Operação, funcionando na
característica de “hot-line”.
Foi disponibilizada ainda uma placa E1/G.703 no roteador do COG-RJ para suportar o
tráfego comutado de voz com as 14 estações. Deverão ser habilitados 14 canais deste feixe
E1 para possibilitar esta facilidade. Esta facilidade, embora disponível, ainda não foi ativada
pelo cliente.
A estação satélite de cada PCH será equipada com 2 canais analógicos FXS que permitem
a conexão a telefones analógicos convencionais, que serão configurados como “hot-line” e
como voz comutada.
Os 6 Centros de Operação (CEMIG, AMPLA, ESCELSA, CELG, ENERSUL e LIGHT) serão
equipados com 1 canal analógico FXS para suportar a comunicação de voz “hot-line” com o
COG-RJ.
8
Adicionalmente o COS LIGHT possuirá 1 canal de voz analógico FXS adicional para
suportar a comunicação funcionando na característica de “hot-line” com a SE de
Interligação.
3.5.3.
Tráfego de dados – Imagem
Está prevista a inclusão da facilidade de tráfego de imagem de circuito fechado de TV
utilizando uma banda adicional de 128Kbps, 256Kbps ou 512Kbps (a ser definida pelo
Cliente) para o upstream e 16Kbps para o downstream, o que permitira o tráfego dos sinais
captados pelas câmeras remotas acessadas pelo sistema de monitoração central do COGRJ.
Por razões de custos esta banda deverá ser compartilhada entre as 13 PCH’s, o que limitará
o número de imagens simultâneas a serem disponibilizadas para o COG-RJ. Esta banda
será implementada futuramente após a instalação dos sistemas de CFTV nas PCH’s.
3.6.
Acesso Internet
Para o tráfego Internet foi fornecida uma porta IP de 1Mbps dedicada para o COG-RJ.
Para o tráfego Internet das 14 estações foi fornecido um acesso de 512 Kbps que é utilizado
de forma compartilhada por estas localidades remotas.
3.7.
Acesso aos Centros de Operação
A interligação entre a HUB IP Banda Larga e o COG da Brasil PCH esta estabelecida de
forma dedicada, utilizando meios de comunicação de alta disponibilidade com redundância
de enlace através de operadoras distintas, utilizando trajetos distintos, entre o PoP-BT e o
COG-RJ.
Os demais Centros de Operação (CEMIG, AMPLA, ESCELSA, CELG, ENERSUL e LIGHT)
estão interligados ao Backbone MPLS da BT através da interligação de cada centro ao PoP
BT mais próximo. Todos os acessos são terrestres com capacidade de 64Kbps para
comunicação de voz e dados.
3.8.
•
•
Composição das Estações
Estações Remotas (11 PCHs)
Antena de 1,2m banda Ku;
ODU de 3W
IDU equipada com interface Ethernet 10/100BaseT para conexão com o switch
do cliente;
Equipamento VoIP com 2 interfaces de voz analógica FXS.
Estações Remotas PCHs Carangola e Funil
Antena de 1,2m banda Ku;
ODU de 3W
IDU equipada com interface Ethernet 10/100BaseT para conexão com o switch
do cliente;
Equipamento VoIP com 2 interfaces de voz analógica FXS.
Conversor de Protocolo Serial para Ethernet (COS CEMIG e PCH)
•
Estações Remotas SE Interligação
Antena de 1,2m banda Ku;
ODU de 3W
9
•
IDU equipada com interface Ethernet 10/100BaseT para conexão com o switch
do cliente;
Equipamento VoIP com 3 interfaces de voz analógica FXS.
COG-RJ
Um roteador com três interface seriais (WAN), uma interface Ethernet e 20 canais
de voz analógicos e 14 canais via E1/G 703;
Um roteador com 1 interface serial (WAN) e uma interface Ethernet para tráfego
INTERNET;
2 Acessos terrestres de 2Mbps;
•
Centros de Operações – CEMIG, AMPLA, ESCELSA, CELG e ENERSUL
Um roteador com 1 interface serial (WAN), uma interface Ethernet e 1 canal de
voz analógico FXS;
1 Acessos terrestre de 64Kbps;
•
Centro de Operação – LIGHT
Um roteador com 1 interface serial (WAN), uma interface Ethernet e 2 canais de
voz analógico FXS;
1 Acessos terrestre de 64Kbps;
3.9.
Topologia
Fig 3 – Topologia da Rede de Telecomunicações
10
4. Conclusão
O sistema conta atualmente com mais de 60 % das estações em operação, funcionando
satisfatoriamente, demonstrando até o momento que os cálculos estimativos de
dimensionamento apresentaram resultados práticos muito próximos dos teóricos. Espera-se
que com o crescimento da base instalada ajustes deverão ser implementados no sentido de
compensar uma eventual perda de performance que venha a ocorrer em razão da elevação
do trafego de dados e voz nessa rede.
Concluímos que houve um ganho considerável na otimização dos recursos técnicos,
humanos e econômicos.
BIBLIOGRAFIA
[1]
CEI / IEC 60870-5-104 – 2000 International Standard
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