Since 1990, CPFL has been working to upgrade its control centers (including hardware and software) intending to implement a full Energy Management System, EMS. This work describes the real-time implementation of the network analysis functions focusing the main real-time software development, its environment and the directions taken by CPFL on doing this. It's also shortly described the CPFL network analysis functions and its real-time exections.

1. MODERNIZAÇÃO E IMPLANTAÇÃO DAS FUNÇÕES DE ANÁLISE DE REDE EM TEMPO REAL
NO CENTRO DE CONTROLE DA COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ
Freire, L. M.; Zagari, E. N. F.* Martins P. R. D.; Mokarzel Jr., F. B.;
Rodrigues, L. F. G.; Kishi, M.**
* OSE - Divisão de Estudos da Operação
** OEPS - Setor de Engenharia de Software de Automação
Companhia Paulista de Força e Luz
Rodovia Campinas Mogi Mirim, km 2,5
Campinas - SP - Brasil
13.088-900
Resumo: A CPFL vem desde 1990 trabalhando na modernização de seus
centros de controle, tanto do ponto de vista de equipamentos (hardware), como
de software, com o intuito de implantar um EMS (Energy Management System)
completo [2]. Este trabalho mostra parte dessa modernização enfocando a
implementação em tempo real dos aplicativos de análise de rede. São descritas as
soluções de implantação adotadas pela CPFL, apresentando-se o ambiente e os
principais programas de tempo real desenvolvidos. Em seguida são apresentadas
sucintamente as Funções de Análise de Rede (FAR) e sua forma de execução em
tempo real.
Palavras-chave: Aplicativos de Tempo Real, Funções de Análise de Redes,
Centros de Operação e Controle.
Abstract: Since 1990, CPFL has been working to upgrade its control centers
(including hardware and software) intending to implement a full Energy
Management System, EMS. This work describe the real-time implementation of
the network analysis functions focusing the main real-time software
developement, its environment and the directions taken by CPFL on doing this.
It’s also shortly described the CPFL network analysis functions and its real-time
executions.
Key words: Real-time software, Network Analysis Functions, Control
Centers.
1. INTRODUÇÃO As empresas que estão iniciando a
implantação ou modernização de seus centros de
controle têm à disposição uma nova concepção para
Ao longo dos últimos anos, as empresas o projeto destes centros, baseada nos seguintes
concessionárias de energia em todo o mundo têm conceitos:
realizado grandes esforços para o desenvolvimento,
implantação e consolidação dos chamados EMS • integração dos processos produtivos e
onde as funções de análise de rede são parte administrativos da empresa (rede corporativa),
importante desse processo. Neste sentido, a dando origem a sistemas de informação
Companhia Paulista de Força e Luz - CPFL firmou integrados,
um convênio com o Departamento de Sistemas de
Energia Elétrica da UNICAMP, para o • arquitetura aberta e processamento distribuído
desenvolvimento dessas funções instituindo o em todos os níveis e funções.
Projeto FAR (Funções de Análise de Rede) [6].
Uma vez desenvolvidas essas funções e testadas de Assim, tendo em mente esses novos
modo off-line restava ainda suas implementações conceitos especificou-se um ambiente para
em tempo real. A performance exigida pelas FAR implementação das FAR que permitisse também
aliada a conceitos de concepção ultrapassados uma migração gradativa das funções
(obsolescência) de nosso sistema supervisório desempenhadas pelo sistema SCADA (Supervisory
alavancaram o processo de modernização de nossos Control and Data Acquisition) para este novo
centros de controle. ambiente. Neste trabalho são descritas sucintamente

2. as soluções adotadas pela CPFL, assim como os
principais aplicativos de tempo real, cujo Escolhido o hardware e o sistema
desenvolvimento se fez necessário para a operacional, persistia ainda um último problema,
implementação em tempo real das FAR no centro que é a multiplicidade de versões e implementações
de controle da CPFL. do Unix. Qualquer que fosse a escolha deveria ser
levado em consideração a disponibilidade de
suporte para processamento em tempo real,
necessária para implantação de sistemas de
2. AMBIENTE DE IMPLANTAÇÃO controle. Além disso, seria desejável seguir os
padrões “de facto” e tendências de mercado de
modo a tornar possível a evolução do SDDT para
Os dados que alimentam as funções de Sistemas Abertos.
análise de rede são provenientes do SDDT (Sistema
Digital Distribuído de Telecontrole), o sistema Os sistemas Unix que atendem aos
SCADA da CPFL. requisitos de tempo real são o Unix System V
Release 4.x (SVR4.x) e o OSF/1. Dos dois apenas o
O SDDT é baseado numa arquitetura SVR4.x conseguiu se firmar como um padrão “de
distribuída, implementada por micros PCs facto” na indústria. As implementações de Unix
interligados através de uma rede proprietária (VGI - para PC que seguiam o padrão SVR4.x na época
Via Geral de Interconexão). O sistema operacional eram as seguintes:
e o protocolo de comunicação também são
proprietários e de domínio da equipe de • UHC Unix
desenvolvimento da CPFL. • Sun Solaris 2/386
• Novell Unixware
As funções de análise de rede exigem um
hardware de alta performance para realizar os Optou-se pelo Novell Unixware devido às
cálculos necessários. Atualmente no mercado o suas características superiores de
requisito de desempenho só é atendido por interconectividade e interoperabilidade com outros
máquinas com arquitetura RISC. Estas por sua vez sistemas, tais como DOS e Netware.
se utilizam, na sua grande maioria, de sistemas
operacionais UNIX e rede Ethernet com protocolo A mesma restrição com relação ao sistema
TCP/IP. operacional é valida também para a estação RISC
destinada ao FAR. Na época da aquisição dos
Dessa forma, ficou configurada a equipamentos as opções existentes para
necessidade de se criar um Gateway para fornecedores de estações RISC com Unix SVR4.x
interconectar os dois ambientes: o proprietário eram as seguintes:
(SDDT) e o comercial (Unix).
• Sun Microsystems (Solaris 2/Sparc)
Para implantação deste Gateway existiam • Sillicon Graphics (Irix)
duas opções, a saber:
Ambas atendem plenamente às
1. - PC com placa Ethernet e sistema necessidades, e a escolha da Sun se deu de forma
operacional do SDDT: esta opção ocasional, pois no processo de aquisição por
implicaria no desenvolvimento de licitação não houve nenhuma proposta de
driver para placa Ethernet e de todo o fornecimento de Sillicon Graphics.
protocolo TCP/IP no ambiente do
SDDT. Além da implantação das funções de
análise de rede, existiam outras funções a serem
2. - PC com placa de rede VGI e implementadas, como o Gerente de Dados
sistema operacional Unix: esta outra Corporativo que é um banco de dados em Oracle
opção implica apenas no com todas as informações do sistema SCADA e os
desenvolvimento de um driver para dados do FAR e outras funções ligadas ao
placa VGI no ambiente Unix, uma vez gerenciamento da operação do Sistema Elétrico da
que o TCP/IP é nativo do Unix. CPFL. Surgiu então o SGO (Sistema de
Gerenciamento da Operação) que é a denominação
Foi escolhida a segunda opção por ela ser dada para o ambiente que integraria essas
mais simples de se implantar visto que tínhamos o funcionalidades dando origem ao nosso EMS
domínio do protocolo e do hardware utilizado na (Figura 1).
placa VGI, o que não era o caso para a placa
Ethernet e para o protocolo TCP/IP.

3. funcionalidades básicas do sistema operacional
utilizado no SDDT para o ambiente Unix, bem
como desenvolver partes específicas necessárias no
ambiente Unix, tais como o driver da placa de rede
proprietária do SDDT (VGI). Esta estratégia
permitiu uma transição suave para o resto da
equipe.
As APIs desenvolvidas são descritas
sucintamente a seguir.
3.1 ICP - INTERFACE DE COMUNICAÇÃO
ENTRE PROCESSOS
API que tem por finalidade prover funções
básicas de comunicação entre processos de uma
aplicação ICP ou entre processos de várias
aplicações ICP distribuídas em rede [3]. O ICP
também implementa extensões ao serviço de
escalonamento de processos do Unix dentro de
aplicações ICP.
Uma aplicação ICP permite a criação dos
seguintes tipos de processo:
3.1.1 PROCESSO DE TEMPO REAL
Processos usados para
atendimento a eventos que exigem
resposta imediata.
3.1.2 PROCESSO TIME-SHARING:
Figura Error! Unknown switch argument.: Processos da aplicação de um
Arquitetura do EMS modo geral, escritos na forma de um loop
perpétuo a ser executado com prioridade
rotativa.
O SGO futuramente também servirá como
base para a migração gradativa das funcionalidades 3.1.3 PROCESSO TIME-SHARING DE
do SDDT para uma plataforma aberta baseada em EXECUÇÃO FINITA COM
sistemas não proprietários. PRIORIZAÇÃO:
Processos que devem ter uma
3. DESENVOLVIMENTOS
prioridade alta no Sistema, porém não
podem ser de tempo real pois ocupariam a
UCP por um tempo muito longo. Estes
A maior parte da equipe responsável pelo processos têm prioridade superior aos
desenvolvimento das funcionalidades do SGO não processos de Time-Sharing comuns, porém
possuía conhecimentos de desenvolvimento em inferior aos processos de tempo real.
Unix. De modo minimizar o custo em treinamento e
o tempo de implantação, optou-se por treinar um 3.2 SCA - SERVIÇO DE COMUNICAÇÃO
grupo limitado de pessoas em Unix. Estas pessoas ENTRE APLICAÇÕES
ficaram encarregadas de desenvolver APIs
(Application Program Interface) para portar as

4. Implementa um protocolo de comunicação
orientado a eventos entre processos de aplicações FAR é um conjunto de programas
ICP de modo a permitir a abstração da forma de computacionais com características de execução em
conexão e roteamento de pacotes, deixando em tempo real, em implantação no centro de operação
evidência apenas as informações relacionadas à do sistema (COS) da CPFL, que visam fornecer ao
aplicação em si. operador informações depuradas sobre o estado
operativo do sistema elétrico da empresa e de suas
concessionárias vizinhas, em condições normais de
3.3 BD - MÓDULO DE BASE DE DADOS DE operação ou sob contingências.
TEMPO REAL
A implantação do FAR traz vários
Implementa o gerenciamento da carga e benefícios à operação do sistema, proporcionando
atualização da base de dados de tempo real para as um considerável aumento na segurança operativa e
aplicações ICP, bem como as formas de acesso à na qualidade do fornecimento de energia. Entre
mesma. A atualização das bases de dados é feita de eles, podemos citar:
forma automática através de eventos que são
gerados pelas aplicações e transmitidos através do • minimização dos erros incorporados aos dados
SCA. telemedidos, detectando e identificando
medidas incompatíveis;
As três APIs foram concebidas de forma a
permitir que a implementação de uma aplicação no • redução de investimentos na instalação de
SGO seja estruturada em camadas hierárquicas, unidades terminais remotas (UTR's) e na
conforme mostrado na Figura 2. postergação de obras de expansão do sistema
elétrico, uma vez que proporciona um melhor
uso e aproveitamento de seus equipamentos,
aumentando o número de pontos
supervisionados;
• treinamento para operadores, possibilitando
simulações de contingências a partir do estado
atual ou de dados históricos do sistema.
O primeiro aplicativo de tempo real é o
configurador de rede, que é responsável por
determinar a topologia do sistema elétrico em
tempo real, processando os estados
(aberto/fechado) dos disjuntores e chaves
seccionadoras.
O segundo aplicativo de análise de rede
utilizado engloba as funções de análise de
observabilidade e estimação de estado [5]. Esta
função determina qual(is) é(são) a(s) parte(s)
observável(is) do sistema, a partir do conjunto de
Figura Error! Unknown switch argument.: medições e do modelo fornecido pelo configurador,
Camadas de uma Aplicação do SGO e calcula uma melhor aproximação do estado
(magnitudes e ângulos das tensões do sistema) da(s)
mesma(s). Assim, a fim de manter sempre
atualizada a informação estimada do estado do
Além da modularidade e flexibilidade, um sistema, a função de observador+estimador é
sistema estruturado em camadas torna-se mais executada na mesma freqüência do configurador.
portável, pois apenas as camadas mais baixas
acessam diretamente as funções do sistema Para modelar os sistemas vizinhos que
operacional. Dessa forma, os módulos da camada exercem influência no comportamento do sistema
de aplicação são inerentemente independentes do elétrico da empresa, é usado um programa de
sistema operacional. modelagem da rede externa [4], que deve ser
executado à medida que são adquiridos novos
dados do sistema externo.
4. FUNÇÕES DE ANÁLISE DE REDE

5. Uma vez modelada a rede externa, o ainda ser executada através de chamadas
quarto aplicativo de tempo real estima o estado das aperiódicas pelo operador, com o intuito de
partes não observáveis, complementando o modelo atualizar as informações de violações de tensão e
de tempo real do sistema de interesse para o carregamento de linhas sob contingências para o
instante no qual foram realizadas as medidas. Esta estado corrente de operação. Já a função de estudo
função faz o papel do fluxo de potência on-line. é ativada somente quando há uma requisição do
operador do sistema.
Por fim, o último aplicativo de tempo real,
a análise de contingências [1][7], tem a função de
avaliar se o estado de operação do sistema é seguro
ou inseguro com respeito a um conjunto de
contingências.
Dentre as funções de análise de rede,
existe ainda o módulo de estudos, que é
constituído da função de fluxo de potência off-line
com análise de contingências. Através dela, torna-
se possível simular situações operativas
programadas ou previstas e analisar situações
passadas, além de permitir um treinamento dos
operadores do sistema.
A Figura 3 ilustra a seqüência lógica de
execução das funções de análise de rede no Centro
de Controle da CPFL, bem como as operações de
entrada/saída de cada uma delas.
5. EXECUÇÃO DAS FAR EM TEMPO REAL
Para tornar possível a execução das
funções de análise de rede em tempo real, foi
necessário o desenvolvimento de um escalonador,
que, conforme já mencionado, foi implementado
através do ICP. A função básica do escalonador é a
de conceder o uso do processador ao aplicativo de
maior prioridade em estado de pronto do sistema.
Cada aplicativo, por sua vez, possui uma
periodicidade de ativação pré-definida, que é
determinada de acordo com a ordem lógica de
execução das funções de análise de rede e da
capacidade de processamento do hardware a elas
destinado.
No caso do Centro de Controle da CPFL,
as funções de configuração, análise de Figura Error! Unknown switch argument.:
observabilidade e estimação de estado da rede estão Sistema de Análise de Rede
sendo executadas a cada 15 segundos. A função de
cálculo do estado (V, θ) e do fluxo de potência nas
linhas, assim como a modelagem do sistema de
interesse, são executadas a cada 15 minutos. A Os dados de tempo real requeridos pelas
modelagem da rede de interesse é realizada a partir funções de análise de rede são permanentemente
de dados históricos de carga e geração do Sistema atualizados em memória volátil, a fim de melhorar
Interligado Sul-Sudeste e dados de tempo real das o desempenho computacional . Quando estas
concessionárias vizinhas. Uma lista de funções são executadas em tempo real, no entanto,
contingências consideradas severas pode então ser o acesso a estes dados podem gerar conflito,
avaliada automaticamente, indicando se o sistema criando “regiões críticas” nestes aplicativos. A
elétrico se encontra em um estado operativo seguro garantia de “exclusão mútua” a estas regiões é
ou não. A função de análise de contingências pode realizada através do uso de semáforos.

6. entre Processos”. Companhia Paulista de Força e
À medida que processa as funções com os Luz, Campinas, SP, nov. 1995.
dados de tempo real, a estação FAR devolve os
resultados ao SDDT e à estação de Gerência de [4] MONTICELLI, Alcir J. et al.. “Real-Time
Dados (GD), que realiza o armazenamento histórico External Equivalents for Static Security
de informações do sistema elétrico. A apresentação Analysis”. IEEE Transactions on Power
ao operador dos resultados provenientes da Apparatus and Systems, vol. 98, no. 2, pp. 498-
execução das FARs é realizada no mesmo ambiente 508, Mar./Abr. 1979.
no qual são apresentadas as informações
telemedidas, preservando o ambiente de trabalho do [5] MONTICELLI, Alcir J.; GARCIA, Ariovaldo
operador. V.. “Fast Decoupled State Estimators”. IEEE
Transactions on Power Systems, vol. 5, no. 2, pp.
O desempenho alcançado na execução das 556-564, May 1990.
FAR em tempo real pode ser considerado
excelente. A execução da função de estimação de [6] MONTICELLI, Alcir J.; GARCIA, Ariovaldo
estado em período tão próximo ao da varredura do V.. Relatórios 02, 03, 04 e 05 do Convênio de
sistema SCADA, proporcionou à CPFL um Cooperação entre CPFL e UNICAMP, Campinas,
aumento da observabilidade de seu sistema, que era 1990-1995.
ligeiramente superior a 30%, ao patamar de 50% de
suas subestações, o que, por si só, já é um ganho [7] STOTT, Brian; ALSAÇ, Ongun;
considerável. Com os benefícios trazidos pelas MONTICELLI, Alcir J.. “Security Analysis and
demais funções, aliados aos da estimação de estado, Optimization”. Proceedings of the IEEE, vol. 75,
tem-se tornado evidente que o esforço empreendido no. 12, pp.1623-1644, Dec. 1987.
na elaboração do sistema de análise de rede teve o
retorno desejado.
6. COMENTÁRIOS FINAIS
Com a implantação do projeto, constatou-
se que as soluções adotadas pela CPFL para a
modernização de seu Centro de Operação,
permitindo a abertura para sistemas comerciais,
trouxe ganhos significativos tanto na parte técnica
como econômica.
Além disso, os excelentes tempos de
execução das FAR obtidos em tempo real indicam a
eficiência dos desenvolvimentos dos aplicativos de
tempo real e da adequação do ambiente
computacional adotado.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] BALU, Neal at al.. “On-Line Power System
Security Analysis”. Proceedings of IEEE, vol. 80,
no. 2, pp. 260-280, Feb. 1992.
[2] FREIRE, Luciano M.; GARCIA, Ariovaldo V.;
MONTICELLI, Alcir J.. “Modernização
Incremental do Centro de Operação do Sistema
da CPFL”. In: 1o Simpósio de Automação de
Sistemas Elétricos, 1992, Campinas, SP. Anais ...
Campinas: CPFL, 1992. p. 318-328.
[3] KISHI, Mio; MARTINS, Paulo R. D.. “Guia do
Programador ICP - Interface para Comunicação