2015 - Monitoramento Online como Ferramenta para

XI SIMPÓSIO DE AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS
16 a 19 de Agosto de 2015
CAMPINAS - SP
Monitoramento Online como Ferramenta para Otimização da Manutenção de
Geradores: Uma Tecnologia 100% Nacional em Arquitetura Distribuída
Mauro Pacheco Ferreira, Fabrizio Leal Freitas, Tiago Kaoru Matsuo, Bruno de Borba,
João Eduardo Rosa da Fonseca.
AQTech Engenharia e Instrumentação S.A.
Brasil
SUMÁRIO
O monitoramento online de geradores de energia elétrica é tema da literatura e comporta soluções de
tecnologias heterogêneas, aspectos incipientes, informações distribuídas e ineficientemente destinadas
às diferentes áreas de engenharia. A tecnologia nacional apresenta limitações, com poucos trabalhos
que englobam o desenvolvimento de software e de hardware. Sob os propósitos de otimização da
engenharia de manutenção, este artigo apresenta uma tecnologia completa, 100% nacional, para
monitoramento de geradores de energia. Publicações da década de 80 até os dias atuais embasam este
desenvolvimento tecnológico. A origem em uma solução de baixo custo para grupos motor-gerador é
relatada no contexto de um projeto de P&D do programa ANEEL. São comentados os objetivos e
especificações, a visão de componente plataforma e a expansão para geração distribuída. O histórico é
apresentado no enfoque do monitoramento da função geração, tema já publicado pelos autores.
Alternativas de concepção e construção respaldam a definição de um hardware de alta performance e
lógica programável. O software embarcado é discutido a partir da conectividade e da programabilidade
por diagramas de blocos alinhada a IEC1131. Aplicações piloto em grupos motor-gerador, geradores
fotovoltaicos e aerogeradores abrem a oportunidade de inovação no monitoramento de vibrações em
geradores hidroelétricos. Casos em hidroelétricas pequenas e de grande porte são ilustrados como
ampliações do escopo de aplicação da tecnologia desenvolvida, comprovando flexibilidade,
maturidade tecnológica e competitividade em custos perante as soluções importadas e/ou parcialmente
nacionais. O artigo alcança o potencial de padronização da arquitetura de aquisição de dados
distribuída através da norma IEC61850 e um framework para Business Intelligence (BI) voltado a
otimização das rotinas de manutenção das usinas. Na conclusão, apresenta as tendências tecnológicas
para o monitoramento de geradores no país, alinhadas aos esforços de normatização de grupos como o
CE-A1 do Cigré-Brasil. Aponta demandas de concessionárias com participações em sociedades de
propósito específico e O&M terceirizadas. Por fim, confirma a construção de uma solução com alto
grau de nacionalização, quebrando os limites da literatura do estado da arte e do mercado brasileiro.
PALAVRAS CHAVE
Monitoração online; Geração de energia; Gestão de ativos; Manutenção preditiva; Otimização de
manutenção.
1
1. Introdução
A geração de energia elétrica é um ramo de negócio que demanda altos investimentos por parte das
concessionárias do setor. Para garantir o retorno de investimentos é preciso estender ao máximo a
disponibilidade e vida útil dos ativos das plantas, em especial do eixo produtor da “função geração”
(tomada d’água, comporta, conduto, turbina, gerador, transformador e disjuntor), o que torna a gestão
de ativos um fator crítico de sucesso destes empreendimentos.
A busca de maior produtividade, redução de custos de manutenção e extensão da vida útil (RUL –
Remaining Useful Life) dos ativos de geração implica que as empresas devem adotar filosofias
preditivas de manutenção (CBM – Condition-Based Maintenance) em detrimento de políticas
corretivas (FBM – Failure-Based Maintenance) e preventivas (TBM – Time-Based Maintenance). A
monitoração online das unidades geradoras desempenha papel fundamental na transição destas
filosofias, pois fornece os meios necessários para estimar o estado do ativo e predizer as falhas antes
que elas aconteçam. A monitoração online se caracteriza como uma das principais ferramentas para a
gestão dos ativos de geração e da engenharia de manutenção.
A Figura 1 ilustra de forma simplificada a cadeia de investimento em uma planta geradora de energia
elétrica. Busca representar a interação da engenharia de manutenção com os equipamentos de
automação e sistemas de proteção, controle e monitoração (PCM) como fontes de dados para
visibilidade da função geração, caminho para a otimização dos planos de manutenção e melhoria da
gestão dos ativos de geração.
FIGURA 1 – Cadeia de investimento simplificada.
O monitoramento online de geradores de energia elétrica é assunto já bastante mapeado na literatura,
porém revela que as soluções existentes no mercado representam plataformas de tecnologias
heterogêneas, com muitos aspectos incipientes, informações distribuídas em diferentes equipamentos,
e ineficientemente destinadas às diferentes áreas de engenharia. Sob os propósitos de otimização da
engenharia de manutenção e da evolução do estado da arte, este artigo apresenta uma tecnologia
completa, em arquitetura distribuída, 100% nacional, para monitoramento online de geradores de
energia elétrica.
2. Estado da arte
A monitoração de geradores como ferramenta de manutenção é tema de estudos, na academia e
indústria, há mais de 20 anos[1]. As publicações da década de 80 até os dias atuais apresentam um
amplo conjunto de trabalhos [1, 2, 3 e 4] envolvendo: levantamento de parâmetros elétricos de
máquinas síncronas; detecção de falhas mecânicas e elétricas; métodos on-line e off-line para o
levantamento de parâmetros; técnicas inteligentes para a monitoração condicional; monitoração com
2
enfoque mecânico; diagnóstico com base em modelos de referência e por descargas parciais;
monitoração de amortecimentos e modos de oscilações; diagnóstico de falhas do estator; aplicações
em turbogeradores; monitoramento de vibrações torcionais; monitoramento de aerogeradores; técnicas
de diagnóstico de curto-circuito; detecção de falhas com base na potência de saída e na rotação; e no
uso da transformada wavelet.
Entretanto, mesmo após estes esforços, atualmente o conhecimento sobre o monitoramento de
geradores no país não está consolidado[2]. Vários estudos em âmbito acadêmico se focaram em
pesquisas básicas e aplicadas, não convergindo em resultados diretamente aplicados ao mercado. No
contexto industrial, os investimentos de empresas brasileiras em P&D para o monitoramento de
geradores atingiram resultados práticos. Contudo, estas pesquisas experimentais em geral se
concentram no desenvolvimento de software e na aplicação de hardware importado para o
monitoramento de geradores[5]. Entre os poucos estudos recentes que ampliaram o estado-da-arte em
monitoramento de geradores, abordando o desenvolvimento de soluções completas (hardware e
software) e totalmente nacionais estão: a prática de monitoramento em uma PCH [5], a experiência em
aplicações piloto de tecnologia nacional em hidroelétricas, grupos geradores e eólicas [6] e o
desenvolvimento de software otimizado e multiplataforma para monitoramento de geradores [7].
3. O projeto de desenvolvimento tecnológico
A origem da abordagem deste artigo está na execução do projeto de desenvolvimento experimental
intitulado “Nacionalização de produto para monitoramento de grupos geradores”, vinculado ao
programa de P&D ANEEL, em parceria com a concessionária de geração ENDESA Brasil, atualmente
uma companhia do grupo ENEL. O produto principal é um equipamento específico de aquisição de
dados, nacional, integrando hardware e software, para monitoração remota de grupos motor-gerador a
diesel (ou gás natural, biomassa, etc.).
3.1.
Metodologia
A metodologia de desenvolvimento do projeto foi fortemente voltada para o mercado. A equipe de
projeto adotou como base o modelo de referência do Processo de Desenvolvimento de Produto (PDP),
proposto como um “processo de negócio”, ou seja, como um processo de inovação que têm como
principal foco a geração de resultados em termos de bens e serviços que atendam de forma eficaz às
necessidades dos consumidores. A metodologia do projeto seguiu uma abordagem focada para
aplicação em empresas de menor porte, englobando a orientação a artefatos de projeto (foco em
resultados) e modelagem em Stage-Gates, sistemáticas que propiciam uma melhor gestão de projetos
de desenvolvimento[8]. A execução do projeto seguiu um planejamento em 30 etapas agrupadas em
três fases distintas, executadas simultaneamente: Fase A – Desenvolvimento de produto e mercado:
Englobou as atividades de alinhamento do projeto de inovação com as necessidades dos clientes do
produto e exigências do mercado, incluindo a metodologia Business Model Canvas (utilizada como
ferramenta de avaliação do portfólio de produtos e apoio à decisão em relação ao modelo de negócio
inovador do produto SMGer-GMG, focado em serviço); Fase B – Projeto de hardware: fase de
desenvolvimento técnico do hardware do produto; Fase C – Projeto de software: atividades de
desenvolvimento dos componentes de software necessários para o produto.
3.2.
Objetivos e especificações iniciais
O objetivo do projeto foi a nacionalização de equipamento específico para monitoramento remoto de
grupos motor-gerador (GMGs) de energia elétrica. Os GMGs são compostos de um motor à
combustão acoplado a um alternador, e estabelecem uma categoria à parte quando se trata de
monitoração remota.
Ao contrário do que acontece na monitoração de plantas geradoras onde as unidades geradoras são
agrupadas em uma casa de força, no caso de GMGs, as máquinas tipicamente são distribuídas e
localizadas em lugares remotos. Além disso, nos GMGs, a potência nominal tipicamente é na ordem
de kW, enquanto em plantas geradoras as potências chegam a MW. Estas características impõem
restrições no uso de sistemas de monitoração online, tal como: hardware com custo reduzido, robustez,
3
compatibilidade com diferentes métodos de comunicação remota (ethernet, modem GPRS e via
satélite) ou sem comunicação, dimensões reduzidas, software embarcado otimizado, memória de
massa, entre outras.
O monitoramento remoto deve ser flexível para atender diferentes contextos de aplicação nos GMGs,
que de forma típica são utilizados para a geração em horário de ponta, geração de emergência, geração
isolada (indústria de petróleo e gás, por exemplo), cogeração e até em plantas de energia com
múltiplos grupos geradores. As informações a respeito do gerador, fornecidas pelo monitoramento,
online na forma de registros de eventos, tendências dos sinais e indicadores, possibilitam o
acompanhamento e a programação de intervenções de manutenção, auditoria de contratos (de entrega
de energia, de O&M terceirizada ou mesmo de locação do GMG), estudos de estabilidade do sistema
elétrico em sistemas on-grid, dentre outros.
3.3.
Componente plataforma e aplicação na Geração Distribuída (GD)
A arquitetura típica da solução completa é apresentada na Figura 2. A unidade de aquisição de dados
lê os sinais de sensores do GMG através de entradas analógicas e digitais, ou do CLP (Controlador
Lógico Programável) por meio de portas seriais (protocolo Modbus RTU). Estes dados são
processados, armazenados localmente e coletados pelo datacenter através de um protocolo de
comunicação otimizado. Tipicamente o canal de comunicação utiliza um modem (celular ou satélite),
mas também é possível utilizar uma rede com conexão à internet. As informações coletadas são
interpretadas, armazenadas em banco de dados e disponibilizadas através de um servidor web. Os
usuários obtêm os dados e informações utilizando um navegador (browser) web, que são
disponibilizadas na forma de mapa geográfico, SCADA web, gráficos de tendências, eventos e
indicadores. Quando aplicável, também são disponibilizados registros de alta taxa de amostragem
acessíveis localmente para o diagnóstico detalhado de falhas pela equipe de manutenção.
Componente Plataforma
FIGURA 2 – Arquitetura do sistema de monitoração remota de GMGs e componente plataforma.
Com base nas características técnicas e arquitetura, a unidade de aquisição de dados é conceituada
como um gateway de aquisição de dados e comunicação, e pode ser visto como um componenteplataforma, ou seja, um componente que atende mais de um produto e/ou segmento de mercado. Desta
forma, a aplicação em instrumentos e painéis de monitoramento de maior porte e complexidade para
usinas é uma perspectiva natural deste componente, conforme também ilustrado na Figura 2.
4
Ainda como consequência natural de suas características, a aplicação do componente de aquisição de
dados também foi expandida para a monitoração de aproveitamentos baseados em energia eólica,
solar, biomassa, entre outras fontes renováveis utilizadas em Geração Distribuída. Estes aspectos
alinharam o projeto tanto à vertente do crescimento da geração em plantas de autoprodução quanto às
tendências que visam tornar a matriz energética mais limpa e preparar o mercado para a operação
através de redes inteligentes (smart grid). Resultou em um projeto de ampla aplicabilidade no setor
elétrico.
3.4.
Histórico da tecnologia
O histórico evolutivo desta tecnologia é apresentado a partir de instrumentos e sistemas de
monitoramento de geradores desenvolvidos e aplicados sob o enfoque do monitoramento da função
geração, tema já publicado pelos autores em outros artigos do setor. O conceito fundamental preconiza
a monitoração como um mecanismo de "inteligência" centralizadora que estabelece uma visão ampla
do processo geração de energia elétrica, abrangendo de forma integrada e simultânea as grandezas
elétricas, mecânicas, de estados e comandos dos sistemas e subsistemas da planta geradora [2]. A
Tabela 1 apresenta a evolução histórica desta linha de pesquisa e desenvolvimento, em ordem
cronológica, envolvendo soluções de hardware e software com tecnologia nacional.
TABELA 1 – Evolução histórica
Instrumento ou
sistema
3.5.
Referência de
P&D
Enfoque do projeto
CELESC/
ANEEL,
P&D ciclo
2004/2005.
Registrador Digital Aplicado ao Monitoramento de Unidades Geradoras de Energia. Projeto de
sistema de monitoração protótipo para preencher a lacuna entre a oscilografia e supervisórios
(entre dinâmicas rápidas e lentas) através da monitoração permanente. Aplicação em uma PCH
reunindo informações da oscilografia da geração, regulador de tensão, regulador de velocidade,
oscilações mecânicas e alguns comandos e estados operativos. Monitoramento local e remoto
através de link de internet.
PAPPE
Subvenção/SC
FAPESC/SEBRA
E-SC/ FINEP
04/2008.
SM-PCHs: Sistema de Monitoração de Pequenas Centrais Hidroelétricas. Produto visando a
introdução de um modelo de gestão da geração baseado na monitoração permanente no mercado
de Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCHs). O equipamento é integrado com componentes
comerciais disponíveis no mercado nacional visando principalmente a redução de custos.
CESP/ANEEL,
P&D ciclo
2006/2007.
Sistema Monitoração e Diagnóstico Auxiliado por Computador de Defeitos de Unidades
Geradoras. Desenvolvimento e implantação de um sistema de monitoração e diagnóstico de
defeitos em uma unidade geradora a partir de um conjunto de premissas de monitoramento
(know-how da equipe de manutenção). Aplicação em máquina de grande porte (170MW) com
cerca de 160 variáveis monitoradas e reunidas em um concentrador de informações (servidor com
banco de dados) com um sistema de publicação WEB na rede da planta.
CEMIG/ANEEL,
P&D 2008/2009.
Sistema de Registro de Informações Gerenciais para PCHs. Desenvolvimento e implantação um
sistema protótipo para registro de informações gerenciais em PCHs, abrangendo 5 máquinas
geradoras em 2 diferentes PCHs. Incorpora um modelo amplo de monitoramento, com cerca de
60 variáveis por máquina, concentrando os dados históricos em um datacenter implantado na rede
corporativa da empresa. Gera indicadores de desempenho de manutenção e de comercialização
através de um sistema WEB acessível por toda rede corporativa.
ENDESA/ANEEL
P&D 2012.
Nacionalização de produto para monitoramento de grupos geradores. Desenvolvimento de novo
produto e de novo segmento de negócio em monitoramento de geradores de energia (grupos
motor-gerador). Abrangência de um conceito de mercado de escala, com baixo valor de venda de
produtos e serviços. Enfoque de concorrência com soluções de telemetria, porém levando a este
segmento as características de monitoramento online aplicado em UHEs e PCHs.
Alternativas de concepção
As alternativas de concepção foram permeadas pelo know-how adquirido em um histórico de projetos
e uma profunda investigação do estado da arte e da anterioridade de pesquisa e desenvolvimento.
Envolveu a comparação de alternativas de soluções com microcontroladores, com lógica programável
(FPGA - Field-Programmable Gate Array), com níveis de software diferentes (firmware, embarcado,
desktop e WEB), com software e armazenamento em nuvem (cloud e private cloud), e com vários
5
mecanismos de comunicação (serial, rede Ethernet, modens, satélite, GPRS, 3G e rede CAN). A
definição de um hardware de alta performance, baseado em lógica programável e de um software
embarcado, com ampla conectividade em rede e programabilidade por diagramas de blocos alinhada
com a IEC1131, foram as soluções estabelecidas.
3.5.1.
Hardware
O componente-chave da solução de monitoramento é o protótipo denominado SMGer-GMG,
apresentado na Figura 3. É uma unidade de aquisição de dados autônoma, robusta e com flexibilidade
de aplicação. O projeto deste hardware foi pautado em uma extensa investigação por produtos
importados e similares existentes no mercado. Optou-se por desenvolver uma unidade com
processador RISC 32 bits embarcado em lógica programável (FPGA), 128MB de memória RAM,
16MB de memória Flash, Micro SD Card até 32GB, 8 entradas analógicas, 4 entradas digitais, 2 saídas
digitais, 1 porta serial RS485, 2 portas seriais RS232, 1 porta LAN ethernet, watchdog, RTC - Real
Time Clock, 1 porta de sincronismo e 1 porta IRIG-B.
FIGURA 3 – SMGer-GMG
O hardware tem como elemento central um FPGA (fabricante Altera). FPGAs são componentes de
lógica programável que se diferenciam de circuitos integrados convencionais por possuírem
programabilidade em nível de hardware, o que permite a evolução gradativa do produto sem a
necessidade de “voltar completamente para a prancheta”. Além da flexibilidade de evolução,
características como longevidade da tecnologia e potencial de novas funcionalidades (como
paralelismo e encriptação) respaldaram a escolha da lógica programável para o projeto.
3.5.2.
Software embarcado
A plataforma de hardware serve como base para a execução do software embarcado. Este software,
programado em linguagem C++ em ambiente Microsoft Visual Studio, é executado sobre o sistema
operacional MicroC Linux e controla as funções de forma integrada ao firmware FPGA. O software
embarcado é um componente já amplamente aplicado ao monitoramento de UHEs e PCHs e que
possui características inteligentes de aquisição de dados integrada ao cálculo por diagramas de blocos.
Esta programabilidade é alinhada as definições da norma IEC1131, difundida em sistemas de controle
e controladores lógicos programáveis. As principais inovações incorporadas foram a otimização de
código para execução em uma plataforma de hardware enxuta e de baixo custo e a implementação de
um protocolo otimizado de comunicação compatível com as restrições de banda e instabilidade da
comunicação características de modems celular e via satélite, que requerem verificações adicionais de
entrega de pacotes e minimização da quantidade de dados trafegados[7].
4. Aplicações
As aplicações da nova tecnologia abrangeram situações de experimentação piloto em grupos motorgerador, aerogeradores e geradores fotovoltaicos. Posteriormente houve a oportunidade de inovação
em soluções de monitoramento de vibrações em máquinas geradoras em hidroelétricas, contemplando
a aplicação em uma usina hidroelétrica de grande porte e em três pequenas centrais hidroelétricas.
4.1.
GMGs
A etapa de validação em campo da nova tecnologia alcançou a monitoração de GMGs a diesel de
diversas capacidades instalados em fabricantes, integradores, locadores e clientes finais. Foram
realizadas 6 (seis) aplicações piloto envolvendo geradores dos fabricantes Cummins/Motormac,
Stemac, Rocha Bressan e Corrêa, conforme ilustrado na Figura 4.
6
FIGURA 4 – Aplicações piloto em GMGs
Os protótipos foram instalados em campo nestes grupos geradores, permitindo a validação de todos os
componentes de hardware e software de maneira integrada. A compatibilidade do SMGer-GMG com
diferentes tipos de modem e integração via Modbus RTU com as principais marcas de CLPs
(Cummins, Stemac/Altus, DeepSea e ComAp) foi comprovada na prática. Em última instância, as
aplicações piloto viabilizaram as funcionalidades do produto SMGer-GMG para utilização por parte
de usuários e clientes finais e atendimento de suas necessidades, conforme escopo do projeto.
4.2.
Aerogeradores
A aplicação do resultado do projeto na Endesa Geração foi alcançada com a implantação do SMGerGMG para o monitoramento de geração eólicos em Búzios, Rio de Janeiro. O objeto de monitoração
da aplicação piloto foi uma planta com três geradores eólicos de fabricação Enersud, conforme
apresentado na Figura 5, cada um com capacidade de 1,5 kW, conectados on-grid na rede de
distribuição de energia da AMPLA (concessionária do grupo Endesa).
FIGURA 5 – Aplicação piloto em aerogeradores
Os objetivos desta aplicação piloto foram o levantamento da curva de velocidade do vento versus
potência gerada e a análise da velocidade do vento versus velocidade da pá da turbina. Para isso as
variáveis monitoradas foram a tensão da rede BT (baixa tensão) da AMPLA, as correntes entregues à
rede pelos geradores, a velocidade do vento no local, a potência entregue na rede pelos geradores, a
velocidade das pás dos geradores e os Tip-Speed Ratio dos geradores. Todos os cálculos são realizados
em tempo real pelo SMGer-GMG, transferidos via conexão GPRS para um datacenter e
disponibilizados remotamente pelo sistema WEB.
4.3.
Geradores fotovoltaicos
O monitoramento de fontes renováveis de energia tem crescido em relevância no cenário nacional,
especialmente pela tendência da adoção de arquiteturas descentralizadas de geração (smart-grid).
Além dos objetivos de gestão da manutenção, nestes casos o escopo de monitoração remota se amplia
para atender requisitos mais amplos, tal como a auditoria de futuros contratos de geração no mercado
de energia e a própria manutenção da estabilidade do SIN. A expansão da aplicabilidade do SMGerGMG para monitoramento de geração distribuída foi estendida ainda mais através da aplicação piloto
em geradores solares ilustrados na Figura 6. Foram instalados no IFSC em Florianópolis, SC e na
UNISUL em Palhoça, SC, ambas entidades de pesquisa e ensino parceiras da AQTech.
FIGURA 6 – Aplicação piloto em aerogeradores
7
Nestas aplicações piloto o SMGer-GMG monitorou sinais de tensão e corrente dos painéis solares,
tensão e corrente das baterias, tensão e corrente de saída do inversor, tensão da rede da concessionária
e temperatura ambiente. As leituras destes dados foram armazenadas localmente nos protótipos,
transferidas remotamente para o banco de dados no datacenter AQTech e disponibilizadas em sistema
WEB para a análise das informações por parte dos usuários.
4.4.
Usinas hidroelétricas (UHE e PCHs)
A característica de componente plataforma permitiu a aplicação do SMGer-GMG como módulo de
aquisição de dados em um produto especializado para atender necessidades de diagnóstico e análise de
vibrações em unidades geradoras, conforme Figura 7. O escopo da aplicação envolve a medição de
sinais de proxímetros radiais e axiais instalados nos mancais das unidades geradoras, ferramentas de
análise de espectro de frequência, gráficos orbitais e operações diversas, como pico, pico-a-pico e
RMS, interface supervisória (SCADA), que permite a comparação com a norma ISO 7919-5 e atuação
de alarmes de faixas de nível de operação. A captura dos dados é feita de forma automática através de
históricos de tendências, sequenciais de eventos e registros temporais dos sinais por meio de gatilhos,
e estes são disponibilizados via rede de comunicação.
FIGURA 7 – Monitoramento de vibrações instalado em UHE e PCHs.
O componente SMGer-GMG como solução no monitoramento de vibrações foi aplicado em 9 (nove)
unidades geradoras de UHE e PCHs, apresentadas na Tabela 2.
TABELA 2 – Aplicações SMGer-Vibro 2
Usina
UHE 1
PCH 1
PCH 2
PCH 3
Eixo
Vertical
Horizontal
Horizontal
Vertical
N° de UGs
3
2
2
2
Potência da UG
154,6MW
12,8MW
10,3MW
9,8MW
Potência total da usina
463,8 MW
25,6 MW
20,6 MW
19,6 MW
O uso de hardware e software totalmente nacionais e de desenvolvimento próprio representaram uma
redução de custos expressiva na solução, garantindo grande desempenho competitivo perante soluções
importadas e/ou parcialmente nacionais. A característica flexível do módulo desenvolvido ainda
permite a expansão da solução para outros modelos de monitoramento, abrangendo, além da vibração,
outras grandezas relevantes no processo de geração de energia.
5. Arquitetura distribuída, evolução e padronização
Com um leque amplo de aplicações, o produto resultante do projeto de P&D como componente de
aquisição de dados também estabelece uma arquitetura distribuída de aquisição de dados. Por se tratar
de uma unidade autônoma com ampla conectividade em rede permite a aplicação em pontos
específicos da planta, ou seja, a instalação próxima ao ponto de sensoriamento e a interconexão em
rede formando um sistema hierárquico de aquisição de dados distribuída.
Essa característica de aquisição de dados distribuída potencializa um novo ciclo de desenvolvimento
tecnológico visando atender as necessidades e limitações identificadas no estado-da-arte do
monitoramento de geradores de energia. Uma tendência de padronização fica clara no movimento do
mercado através da norma IEC61850 que estabelece mecanismos de padronização da
interoperabilidade de equipamentos. Também não se pode deixar de lado o objetivo do monitoramento
voltado a otimização das rotinas de manutenção das usinas.
8
A Figura 8 ilustra a arquitetura estabelecida pela normatização acrescida de uma proposta de uma
nova tecnologia para o monitoramento de geradores. Está calcada em mecanismos inteligência
aplicada (ou artificial), na formação de data warehouse e de big data, e na constituição de um sistema
de BI – Bussiness Inteligence que permita a extração de relatórios de inteligência. O objetivo é atender
a cadeia de investimentos com a otimização dos planos de manutenção e melhoria da gestão dos ativos
de geração.
FIGURA 8 – Proposta de nova tecnologia baseada na arquitetura da IEC61850.
A infraestrutura necessária para implantar o sistema é formada por: 1) Framework em modelo de data
warehouse e sistema de BI voltado à otimização de O&M; 2) Algoritmo especializado de
processamento de massa de dados para cálculo e mineração de dados (data mining) a partir de
armazém de dados (data warehouse), em tempo real, de índices indicadores para otimização de O&M
para alimentação do sistema de BI; 3) Unidade e respectivo firmware, do IED - Intelligent Electronic
Device para processamento e inteligência no envio/recebimento de dados para fontes externas,
consistindo na execução de nós lógicos de alto desempenho da arquitetura. Os dois tipos distintos são
o IED para execução de algoritmo intenso em processamento baseado em computação de alto
desempenho (HPC – High Performance Computing) e o IED para monitoramento de máquina baseado
em hardware computacional padrão; 4) Unidade padronizada e respectivo firmware, do módulo de I/O
para aquisição de dados distribuída e integração com os IEDs ou outros dispositivos interoperáveis.
6. Conclusões
A observação do estado da arte e a experiência dos autores no tema de monitoramento de geradores de
energia apontam como tendências tecnológicas: interoperabilidade, processamento de alto
desempenho, inteligência aplicada ou artificial, inteligência de negócio, data warehouse e big data.
Partindo do conhecimento do estado atual do mercado no Brasil, é perceptível uma distância e lentidão
para a adoção do monitoramento de geradores de energia como ferramenta de apoio à transição para
filosofias e políticas de manutenção preditiva. A cadeia de investimentos em ativos de geração ainda é
fragilizada pelas diferentes visões de negócio e técnicas em que pouco há consenso. A ausência de
mecanismos de monitoração integrados ao eixo produtor não permite a coleta de dados e a
transformação de informações estratégicas para a otimização do O&M e a maximização dos lucros.
Esforços estão sendo impetrados para evoluir o tema e avançar em soluções para o monitoramento de
geradores buscando inclusive a normatização técnica. O grupo de trabalho GT-A1-01 “Monitoramento
de Máquinas Elétricas” do CE-A1 “Máquinas Rotativas” do Cigré-Brasil é uma das principais forças
de abordagem do tema no setor elétrico brasileiro.
As concessionárias de geração de energia apontam linhas de demanda por monitoramento de
geradores a partir da participação em sociedades de propósito específico e dos modelos de operação e
9
manutenção terceirizadas. Ficam evidentes as necessidades de ferramentas que permitam o
acompanhamento dos ativos de geração, da eficiência do O&M e da lucratividade do modelo de
negócio. É fato que as diferentes plantas, empresas, equipes e práticas também demandam um modelo
padronizado e uniforme, capaz de comparações entre as distintas formas de gestão dos ativos de
geração. Estas informações permitirão a programação de intervenção de manutenção e otimização do
O&M, auditorias de contratos (de entrega de energia, de O&M terceirizada ou mesmo de locação no
caso dos GMGs), análises de desempenho de soluções inovadoras de geração de energia elétrica, e
estudos de estabilidade do sistema elétrico on-grid, dentre outras.
Os resultados deste projeto concretizaram uma solução totalmente nacional, com domínio tecnológico
completo e baixo custo, concretizando a independência de tecnologia estrangeira para o
monitoramento de geradores. O produto SMGer-GMG se estabelece como um componente plataforma
em arquitetura distribuída para o setor elétrico brasileiro, com aplicabilidade em grupos motorgerador, geradores eólicos, solares e hidroelétricas de qualquer porte. Por fim, confirma a construção
de uma solução com alto grau de nacionalização, quebrando os limites da literatura do estado da arte e
do mercado brasileiro.
BIBLIOGRAFIA
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F.L. Freitas, M.P. Ferreira et al., “Monitoração permanente de geradores: Abordagem para o
diagnóstico preditivo” apresentado no Seminário do Estado da Arte em Sistema de Monitoramento
Aplicados a Maquinas Rotativas, Brasília, DF, 2008.
[2]
M.P. Ferreira, F.L. Freitas et al., “Monitoramento da função geração: Aplicação de modernas
técnicas e instrumentos em PCHs e UHEs” apresentado na VII Conferência de Centrais Hidrelétricas,
CERPCH, São Paulo, SP, 2011.
[3]
HAN, Y.; SONG, Y. H., Condition monitoring techniques for electrical equipment-a literature
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[4]
TAVNER, P.J. Review of condition monitoring of rotating electrical machines. Electric Power
Applications, IET. Volume 2, número 4, Páginas: 215 - 247, Julho de 2008.
[5]
M.S. Guimarães, M.P. Ferreira et al., “Prática de monitoramento de geradores: um caso
bastante completo com execução no contexto de uma PCH”, apresentado no VI ENAM – Encontro
Nacional de Máquinas Rotativas, Taubaté, SP, 2014.
[6]
F.L. Freitas, M.P. Ferreira, T.K. Matsuo, “Monitoração remota de ativos: experiências de
aplicações piloto em geradores de energia”, apresentado no VI ENAM – Encontro Nacional de
Máquinas Rotativas, Taubaté, SP, 2014.
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e crítico em desempenho para monitoração de geradores”. Congresso Rio Automação. 2015;
[8]
F.L. Freitas, M.P. Ferreira et al, “Processo de Desenvolvimento de Produto: aplicação em um
projeto de P&D dentro do programa ANEEL” apresentado no XXIV Seminário Nacional de Parques
Tecnológicos e Incubadoras de Empresas em Belém, PA, 2014.
AGRADECIMENTOS
A empresa NYTECH, em nome do Eng. Fernando Pedrassani Costa Neves, pelo apoio na abordagem
de otimização do O&M e a toda equipe de P&D da ENDESA, atualmente ENEL, patrocinadores e
gestores ativos na execução deste projeto.
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