1 Projeto e Implantação de um SIG Web para o Monitoramento de Cotas de Reservatórios na CHESF F. G. de Andrade, IFPB, C. de S. Baptista, UFCG, A. C. de Paiva, UFMA, e R. A. Fernandes, CHESF Abstract – Hydrography consists in an important asset for electrical companies, mainly in Brazil, that has abundant water reservoirs. As such, there is an increasing demand for system tools to better manage and monitor this important resource efficiently. This paper presents a system tool for monitoring and management of water reservoirs. This tool is integrated to a power system called SmartView, which operates in real time. This water monitoring module enables that operators may accomplish and control the level of energy generation in the usines, being responsible data management of water levels of the Chesf reservoirs. Index Terms-- Geographic Information Systems; Hydroelectric Power; Power Systems; Water reservoirs; I. INTRODUÇÃO O s recursos hídricos desempenham um papel fundamental para companhias que geram energia elétrica a partir da água. A importância destes recursos tem feito com que muitas destas companhias tenham buscado soluções que permitam a sua utilização de uma forma mais efetiva e mais eficiente. Um exemplo de companhia que tem buscado este tipo de solução é a Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf), uma importante empresa brasileira que atua na geração e transmissão de energia elétrica a partir de recursos hídricos. Para a geração de energia, a empresa monitora os recursos hídricos a sua disposição com uma rede composta por cento e dez postos hidrométricos e nove reservatórios. Visando melhorar a gestão destes recursos, a empresa realiza o monitoramento periódico dos níveis dos seus reservatórios. As informações produzidas por este monitoramento podem ser usadas, por exemplo, para melhorar a operação e o Este trabalho foi financiado em parte pela CAPES de acordo com o Programa de Fomento à Pós-Graduação (PROF, Portaria nº59) e em parte pela Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf) como apoio ao Projeto Smartview. F. G. de Andrade. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba, Cajazeiras, Paraíba, Brasil (e-mail: [email protected]) C. de S. Baptista. Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Paraíba, Brasil (e-mail: [email protected]) A. C. de Paiva. Universidade Federal do Maranhão, São Luís, Maranhão, Brasil (e-mail: [email protected]) R. A. C. Fernandes. Chesf, Recife, Brasil (e-mail: [email protected]) gerenciamento destes recursos e para auxiliar na prevenção de cheias nas áreas situadas próximas a estes reservatórios. Atualmente, os dados produzidos por este monitoramento já podem ser acessados através da intranet da empresa. Entretanto, o suporte dado para o acesso a estes dados ainda é muito limitado. Este fato, aliado à ausência de instrumentos que ofereçam meios mais efetivos para a visualização destes dados, limitam os benefícios que podem ser obtidos a partir das informações fornecidas pelos mesmos. Este artigo descreve um sistema de informações geográficas (SIG), com acesso via Web, que visa melhorar o acesso e a visualização dos dados de cotas dos reservatórios utilizados pela Chesf. A sua principal contribuição é a proposição de uma ferramenta que utiliza sistemas de informações geográficas para facilitar o monitoramento do nível de reservatórios usados para a geração de energia hidroelétrica. Para isto, o sistema proposto oferece mapas e relatórios que permitem o monitoramento dos dados de cotas em tempo real e a geração de gráficos e relatórios sobre dados históricos. O sistema de visualização das cotas dos reservatórios é de grande valia para que os operadores possam acompanhar e controlar o estado da geração de energia nas usinas, sendo responsável pelo gerenciamento dos dados de cotas e edições dos níveis de reservatórios da Chesf. O restante deste artigo está organizado como segue. Na seção 2 são discutidos os principais trabalhos relacionados na área. Na seção 3, o sistema proposto para o monitoramento de cotas é apresentado. Na seção 4, apresentam-se os detalhes sobre a implementação do módulo de cotas do sistema. Finalmente, na seção 5, conclui-se o artigo. II. TRABALHOS RELACIONADOS O uso de geoprocessamento no setor elétrico tem sido bem disseminado nos últimos anos. Overbye discute várias técnicas de visualização de sistemas de potência com uso de geoprocessamento, permitindo a visualização de linhas de transmissão, subestações, valores de fluxo, dentre outros [1]. Sun & Overbye exploram visualizações em três dimensões para dados de contingência [2]. Crow et al. [3] apresentam algumas técnicas de visualizações usando SIG. Li [4] aborda o uso de sistemas de potência ma Web visando obter uma acessibilidade universal. Kadar et al. [5] propõem várias técnicas de visualização usando SIG, mas com enfoque em sistemas SCADA. 2 Em [6], são apresentadas as principais formas de uso dos SIG no processo de avaliação ambiental de potenciais hidrelétricos, evidenciando a importância dessa ferramenta como instrumento integrador de informações espaço temporais, complementando os levantamentos de campo e oferecendo subsídio para a escolha do melhor aproveitamento sob a ótica ambiental. Um sistema que permite o monitoramento de reservatórios é o ION Enterprise [7]. Este sistema permite coletar dados das PCDs referentes às cotas de reservatórios, efetuando alguns relatórios. Entretanto, não tem uma forma gráfica de visualização nem acesso via Web. Vê-se que embora haja vários trabalhos que já fazem uso da tecnologia de geoprocessamento em sistemas de potência, pouco se tem desta tecnologia para uso no monitoramento de reservatórios. Esta é a principal contribuição deste trabalho. III. O SMARTVIEW O SmartView é um sistema desenvolvido para tornar mais eficiente a visualização de informações referentes ao monitoramento de um sistema elétrico. Para alcançar este objetivo, o sistema usa a tecnologia de geoprocessamento, que permite que os operadores do sistema visualizem e tenham acesso a todas estas informações de uma forma conveniente, através de um conjunto de mapas sobre diversos temas e outros recursos, como relatórios e gráficos. O sistema é composto por uma série de módulos, que permitem a visualização e o acesso de diversos tipos de informações do sistema elétrico. Exemplos de funcionalidades importantes oferecidas pelo SmartView incluem o monitoramento de desligamentos na rede elétrica, o gerenciamento de dados de qualidade de energia e a visualização de informações referentes a alarmes gerados pela rede elétrica. Para exibir todas estas informações, o sistema também oferece uma ferramenta de visualização, que é responsável pela geração dos mapas e dos relatórios oferecidos. Outro importante módulo oferecido pelo SmartView é o módulo de cotas. Este módulo foi desenvolvido para o gerenciamento dos recursos hídricos, importante insumo do sistema elétrico. O monitoramento de cotas e reservatórios requer a interação de quatro módulos distintos: o sistema de medição de cotas, o módulo de aquisição, a ferramenta de visualização e os clientes do sistema. O primeiro módulo corresponde ao sistema de medição de cotas utilizado pela empresa. Atualmente, este sistema é composto por uma série de registradores digitais, que são instalados em diversos pontos dos reservatórios. Estes registradores, periodicamente, coletam informações acerca do nível atual de seu respectivo ponto de medição. Estas informações são transmitidas através de uma intranet e armazenadas na base de dados de um servidor de cotas. Tal servidor é atualmente localizado no Centro de Operação do Sistema da Chesf. O módulo de aquisição é o módulo do SmartView responsável pela aquisição dos dados de medições. Esta aquisição é feita diretamente através do servidor de cotas da Chesf. Para isto, o módulo acessa periodicamente a base de dados deste servidor para recuperar as informações sobre as cotas mais recentes. Ademais, o módulo também pode acessar a base de dados do servidor para a recuperação de dados históricos. Entretanto, esta tarefa é realizada apenas quando solicitada por algum usuário do sistema. A ferramenta de visualização é responsável por apresentar os dados coletados pelo módulo de cotas para o usuário. Esta ferramenta é responsável por gerar o mapa de monitoramento de cotas, bem como atualizá-lo sempre que novas cotas são coletadas. Ademais, a ferramenta também é responsável por encaminhar para o módulo de cotas as solicitações do usuário do sistema por dados históricos, bem como pela geração dos gráficos e relatórios referentes a estas requisições. A ferramenta de visualização é totalmente implementada com páginas web dinâmicas. Desta forma, para ter acesso ao sistema, os clientes precisam apenas de um web browser, sem a necessidade de instalação de qualquer software adicional. Finalmente, os clientes representam todos os usuários do sistema que estão interessados em visualizar os dados de cotas e reservatórios. Estes clientes podem usar o sistema para realizar o monitoramento das cotas em tempo real ou para executar consultas sobre dados históricos do sistema de cotas. Como a ferramenta de visualização é acessada através de um web browser, o SmartView também oferece um módulo de segurança. Tal módulo permite ao administrador definir as políticas de acesso ao sistema, determinando quais usuários podem acessá-lo e quais as funcionalidades que serão disponibilizadas para cada usuário. IV. SMARTVIEW: O MÓDULO DE COTAS Esta seção descreve a implementação do módulo de monitoramento de cotas do SmartView. Este módulo oferece duas funções para os usuários do sistema: o monitoramento em tempo real das cotas de reservatórios e a geração de relatórios sobre dados históricos. A. Arquitetura O módulo de cotas foi implementado de acordo com a arquitetura mostrada na Fig. 1. Esta figura mostra que o módulo possui componentes que permitem ao mesmo interagir tanto com o sistema de cotas da Chesf quanto com os demais módulos do sistema. O CotasModelDatabaseManager é o componente responsável por interagir com o servidor de cotas da Chesf para a aquisição de dados sobre medições. É importante ressaltar que este é o único componente do módulo de cotas que consegue acessar este servidor. Desta forma, qualquer requisição de dados de medições, seja ela por dados mais recentes ou por dados históricos, é resolvida por este componente. Para realizar esta interação, este componente usa a API Java Database Connectivity para estabelecer uma conexão com a base de dados do servidor. Uma vez conectado, o componente executa consultas SQL para recuperar todas as cotas que satisfazem um determinado critério de seleção. O critério usado para a seleção das cotas depende do objetivo da interação. Caso o componente esteja procurando pelas cotas mais recentes, é realizada uma busca para selecionar todas as 3 medições realizadas após um determinado instante de tempo. Caso o componente esteja procurando por dados históricos, são recuperadas todas as medições que ocorreram durante um determinado período de tempo. Fig. 1. Arquitetura do modulo de cotas. O CotasModelPuller é o componente responsável por controlar o processo de coleta de informações durante o monitoramento em tempo real. Durante a realização de sua tarefa, este puller solicita ao CotasModelDatabaseManager a recuperação de todas as medições realizadas após a última verificação. Ao fazer esta solicitação, o puller guarda o instante de tempo em que a verificação está sendo realizada, que é usado como base para a próxima verificação. Os dados recebidos são repassados ao componente responsável pelo gerenciamento do módulo. Ao fazer isto, o puller fica inativo até a realização da próxima verificação, quando todo o processo se repete. Uma informação importante é que o intervalo entre as verificações pode ser facilmente ajustado através de um arquivo configuração. Tal opção é importante para permitir que este intervalo possa ser aumentado, caso o administrador queira diminuir a carga do servidor e o tráfego de informações na rede, ou reduzido, para obter informações mais atualizadas durante o processo de monitoramento. O CotasModelManager é o componente responsável pelo gerenciamento geral do módulo de cotas. Para controlar o funcionamento do módulo, este componente executa uma série de tarefas. Uma de suas atribuições consiste em controlar o funcionamento do CotasModelPuller, de forma a iniciar ou parar o processo de monitoramento em tempo real. Outra tarefa importante realizada pelo gerenciador do módulo consiste em repassar os dados de cotas para os listeners interessados em dados de tempo real. Com isto, sempre que novas medições são obtidas durante o processo de monitoramento, o gerenciador é responsável por encaminhar uma cópia das informações obtidas para cada listener. Para isto, este componente mantém uma lista contendo uma referência para todos os clientes que desejam ser notificados sobre a recuperação de novos dados. Ademais, este componente também é responsável por encaminhar as requisições por dados históricos para o CotasModelDatabaseManager, bem como retornar os resultados obtidos para o cliente que requisitou a recuperação. O CotasModelFacade é o componente que atua como a fachada do módulo, sendo responsável pela comunicação entre o módulo de cotas e os demais módulos do SmartView. A grande vantagem deste componente é que o mesmo permite que objetos localizados em outros módulos do sistema possam acessar todas as funcionalidades oferecidas pelo módulo de cotas a partir de um único ponto, sem ter que compreender detalhes sobre a arquitetura e a implementação do mesmo. Para isto, este componente oferece uma série de operações, que os demais módulos podem invocar para se comunicar com o módulo de cotas. Dentre estas funcionalidades, estão as operações para solicitar a notificação de novas medições e a requisição de consultas por dados históricos. O CotasModelListener é uma interface que define as operações que devem ser implementadas por todos os clientes do módulo que querem ser notificados quando novos dados de cotas forem obtidos a partir do monitoramento em tempo real. Para estar apto a ser notificado sobre estes dados, o cliente, além de implementar todas as operações definidas por esta interface, deve acessar a fachada do módulo e invocar uma operação que solicita o seu cadastro no módulo de cotas. Caso em um dado momento o cliente não queira mais ser notificado, uma operação de solicitação de exclusão também é oferecida. Finalmente, o CotasMeasure corresponde a um objeto que encapsula as informações sobre uma medição realizada pelo sistema de cotas. Este tipo de objeto é usado para representar tanto as medições obtidas pelo monitoramento em tempo real quanto aquelas obtidas pela da recuperação de dados históricos. Para cada medição recuperada, este objeto armazena as seguintes informações: o reservatório referente à medição, o nome da medida recuperada, o valor atual da cota (em metros) e o horário em que a medição foi realizada. O valor horário da medição é fornecido tanto em UTC quanto no horário local da fonte. B. O cadastro de pontos de medição O mapa de monitoramento em tempo real permite que o usuário do SmartView visualize as informações mais recentes referentes à cota atual de vários pontos de medição monitorados pelo sistema de cotas da Chesf. Entretanto, para que um ponto de medição possa ser visualizado neste mapa, o administrador do sistema precisa primeiro cadastrar e configurar as suas informações. O SmartView oferece uma interface que permite ao administrador do sistema cadastrar e configurar os pontos monitorados pelo sistema de cotas. Quando um ponto é cadastrado, devem ser informados: o seu nome, o seu alias, a sua localização geográfica (latitude e longitude), o mínimo e o máximo operativo, e os volumes mínimo e máximo desejados. A Fig. 2 mostra um exemplo de cadastro de um ponto de medição. 4 Fig. 2. Exemplo de cadastro de um ponto de medição. Depois que o ponto de medição é incluído no sistema, as suas informações de cotas passam a ser exibidas no mapa que mostra os dados do monitoramento em tempo real. As informações incluídas no momento de cadastro são usadas pela ferramenta de visualização para definir como as informações serão apresentadas aos usuários. Por exemplo, as coordenadas geográficas são usadas para posicionar o ponto de medição no mapa que mostra os reservatórios. Já os limites mínimo e máximo de volume são usados pelo sistema para verificar se a cota atual está dentro dos limites desejados para aquele ponto. É importante ressaltar que o sistema permite que as informações de cadastro possam ser acessadas e modificadas a qualquer momento pelo administrador do sistema. C. O monitoramento em tempo real O monitoramento em tempo real das cotas e volumes dos reservatórios é a principal função do módulo de cotas do SmartView. Para isto, é oferecido um mapa que permite a visualização de todos os reservatórios da empresa. Além dos reservatórios, este mapa mostra, para cada ponto de medição cadastrado no sistema, os dados referentes à medição mais recente recuperada junto ao servidor de cotas. A ferramenta de visualização do sistema, que é responsável pela geração do mapa, é cadastrada como um listener do módulo de cotas. Isto permite que a mesma seja informada sempre que novas medições forem encontradas. Sempre que esta notificação acontece, o mapa é atualizado para exibir as novas informações. O mapa que mostra o monitoramento de cotas de reservatórios é mostrado na Fig. 3. Neste mapa, os pontos representam os pontos de medição, enquanto que os gráficos (gauges e réguas) apresentam as informações de cotas. Cada gráfico tem uma linha que o liga ao seu respectivo ponto de medição. Caso o usuário queira melhorar a visualização destas informações, ele pode arrastar cada gráfico mostrado para qualquer ponto do mapa. Mais ainda, o usuário pode acessar as informações de cadastro de cada ponto e redefinir a posição do mapa em que o gráfico deste ponto deve ser apresentado, de forma que esta posição seja utilizada sempre que o mapa for iniciado. Fig. 3. Mapa de monitoramento de cotas em tempo real. Como é possível perceber na Fig. 3, as informações de cotas podem ser apresentadas de duas formas: gráficos em gauges e réguas. O tipo de objeto usado para representar uma medição depende do tipo de ponto ao qual a cota está associada. Os gauges são usados para apresentar as cotas relativas às montantes. Para cada gráfico deste tipo, são mostradas três informações: o alias do ponto de medição que está sendo mostrado, o valor absoluto da cota (em metros) e o volume atual do reservatório. As duas primeiras informações são apresentadas, respectivamente, acima e abaixo do gráfico. A informação sobre o volume, por sua vez, é apresentada dentro do gráfico. A cor do preenchimento do gráfico é usada para identificar para o usuário se o volume atual do ponto está ou não dentro dos limites mínimo e máximo estabelecidos para este ponto no momento do seu cadastro. A cor verde indica que o volume atual está dentro destes limites. Caso contrário, o gráfico é preenchido com a cor vermelha, de forma que essa informação possa ser rapidamente visualizada pelo usuário do sistema. As réguas, por sua vez, são usadas para a apresentação das cotas das jusantes e dos reservatórios que não possuem dados de batimetria. O seu valor expressa o nível atual da água, em metros, no respectivo ponto de medição. Esta informação é mostrada no lado direito da régua. Quando um mesmo reservatório possui mais de uma jusante, as réguas contendo as suas medições são mostradas de forma agrupada, de forma que as suas informações possam ser facilmente comparadas pelo usuário. Um exemplo desta situação é mostrado na Fig. 4, que apresenta o nível de quatro jusantes de um mesmo reservatório. Fig. 4. Medições agrupadas de todas as jusantes de um reservatório. Outra característica importante do mapa de monitoramento é que o usuário pode visualizar informações mais detalhadas 5 sobre qualquer cota que está sendo exibida. Para isto, o usuário precisa apenas selecionar o gráfico referente à cota de seu interesse e solicitar as informações adicionais. As informações adicionais que são exibidas dependem do tipo de gráfico selecionado pelo usuário. Caso seja selecionada uma régua, é aberta uma nova janela mostrando o código da cota em questão, os valores configurados para os seus limites mínimo e máximo. Por outro lado, caso um gauge seja selecionado, são mostradas, além das informações que são apresentadas para uma régua, o volume atual, a produtividade, a afluência, a defluência, a vazão turbinada e a vazão vertida. A Fig. 5 mostra uma janela que descreve informações adicionais para uma cota apresentada por um gauge. Dentre as funcionalidades de geoprocessamento presentes no sistema podemos destacar: aproximação (zooming in e out), panning (deslocamento), busca de uma feição no mapa; incorporação de outras camadas além de rios , reservatórios e estados, tais como municípios, rodovias, dentre outras. D. Consulta a dados históricos Além de mostrar as cotas mais recentes através do monitoramento em tempo real, o SmartView permite que o usuário recupere o histórico de medições realizadas para qualquer ponto monitorado pelo sistema de cotas. Para a recuperação de dados históricos, o usuário acessa uma página web e seleciona o ponto de medição e o intervalo de tempo de seu interesse. Depois que estas informações são definidas, uma consulta é encaminhada para o módulo de cotas, que acessa o servidor de cotas e recupera todas as medições que satisfazem os critérios definidos na consulta. Entretanto, o usuário pode exportar o resultado da consulta para o formato CSV, para uma planilha do Microsoft Excel, ou para um arquivo XML ou PDF. Ademais, o usuário também pode optar por ordenar as cotas recuperadas por qualquer um dos atributos apresentados. A Fig. 6 mostra alguns registros de um relatório que recupera as cotas coletadas para o ponto “UBEM00034218080”, durante o período de 15/07/2009 a 16/07/2010. A visualização de dados históricos em tabelas, embora seja bastante útil, nem sempre representa um bom instrumento para compreender a variação de uma cota ao longo do tempo. Para realizar este tipo de tarefa, o SmartView também oferece a geração de gráficos. Para pontos pertencentes a reservatórios que possuem informações de batimetria, podem ser gerados gráficos tanto de volume quanto de cotas. Para os demais pontos, é possível gerar apenas gráficos de cotas. A Fig. 7 mostra a geração de gráficos de volume para o ponto de medição apresentado na Figura 6. O primeiro gráfico é gerado apenas com base nas medições realizadas nos últimos trinta dias, enquanto o segundo é baseado nas medições realizadas nos últimos doze meses. Fig. 6. Resultado de uma consulta por dados históricos. Fig. 5. Janela mostrando informações adicionais sobre uma cota. A apresentação de dados históricos é feita através de uma tabela que é apresentada em uma página web dinâmica. Esta tabela contém todas as cotas recuperadas pela consulta. Para cada cota, são mostrados o nome do ponto de medição, a data e horário da coleta, o valor da cota e o volume (em Hm3). Fig. 7. Resultado de uma consulta por dados históricos. V. CONCLUSÕES Este artigo apresentou um sistema que usa geoprocessamento para melhorar o monitoramento dos níveis de reservatórios usados por uma companhia de geração de energia hidroelétrica. O sistema apresentado oferece mapas em 6 tempo real que permitem monitorar o nível atual de vários pontos de medição localizados nos reservatórios usados para a geração de energia. Mais ainda, são oferecidos mecanismos que permitem a recuperação e a visualização de dados históricos. A utilização do sistema proposto neste artigo permite um monitoramento mais efetivo dos recursos hídricos, o que permite melhorar a utilização e a operação destes recursos. VI. REFERÊNCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] T. J. Overbye (2005, Nov.). Visualization of Power Systems and Components. Power Systems Engineering Research Center, Ithaca, NY. [Online] Available: http://www.pserc.wisc.edu. S. Yan and T. J. Overbye, “Visualizations for Power System Contingency Analysis Data,” IEEE Trans. on Power Systems, vol. 19, pp. 1859-1866, Nov. 2004 M. Crow, G. Gross and P. Sauer, “Power system basics for business professionals in our industry,” IEEE Power & Energy Magazine, vol. 1, pp. 16-18, Jan/Feb. 2003. F. Li, “Web Tool Opens Up Power System Visualization,” IEEE Power & Energy Magazine, vol. 1, pp. 37-41, Jul/Aug. 2003. P. Kádár, T. Bessenyei and L. Oroszki, “Enhancement of the visualization of an existing SCADA systems,” presented at the International Council on Large Electric Systems (CIGRÉ), Paris, France, 2006. M. Dzedzej, B. K. Flauzino, J. M. Álvares, A. H. M. Santos, “Sistemas de informações geográficas como ferramenta para avaliação ambiental integrada de potenciais hidrelétricos,” in Proc. 2011 XV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, pp. 8841. ION Enterprise. Schneider Electric. http://www.powerlogic.com/product.cfm/c_id/2/sc_id/16/p_id/30. VII. BIOGRAFIAS Fabio Gomes de Andrade is an adjunct professor at the Computer Science Department of Federal Institute of Education, Science and Technology of Paraiba, Brazil, where he has been since 2002. He received his Master degree in Computer Science from University of Campina Grande in 2006. Actually, Mr. Andrade is a PhD student at the Computer Science Department of University of Campina Grande, under supervision of Dr. Cláudio de Souza Baptista. Cláudio de Souza Baptista is an Associate Professor at the Computer Science Department and Director of the Information Systems Laboratory at the University of Campina Grande, Brazil. He received a PhD degree in Computer Science from University of Kent at Canterbury, United Kingdom, in 2000. His research interests include database, digital libraries, geographical information systems and multimedia databases. He has authored more than 40 papers in international conferences, book chapters and journals. Anselmo Cardoso de Paiva is an Associated Professor at the Computer Science Department at the University of Maranhão, Brazil. He received a Doctor degree from PUC-Rio, Brazil in 2001. His research interests include computer graphics, geographical information systems, medical images system, and information systems. Rogerio A.C. Fernandes is an Electrical Engineer and has worked for a Brazilian power company, Chesf since 1994. His works include Control Center and substation automation, and geographical information systems. He received a Msc degree from UFPE-Recife, Brazil in 1999.