Modernizações de sistemas de automação de usinas hidrelétricas

nov, 2014

Edição 105 – Outubro de 2014
Por Marcos Fonseca Mendes*

Decisões sobre modernizações de sistemas de automação de unidades geradoras hidráulicas. Por que e quando modernizar?

A geração de energia elétrica é importante para todos os ramos de atividades econômicas e tem demanda crescente. Isso implica constantes melhorias dos sistemas secundários, entre eles, os sistemas de automação, os quais evoluíram muito nos últimos anos e agregaram benefícios consideráveis. Em várias usinas hidrelétricas esses sistemas estão obsoletos e apresentam outros problemas, portanto, carecem de atualizações tecnológicas ou “modernizações”. Várias empresas já perceberam que os benefícios são relevantes e que essas atividades são economicamente justificáveis.

Os sistemas de automação elétrica são aqui classificados na linha do tempo como: “convencionais”, “numéricos” e “modernos”. Os convencionais são eletromecânicos e os numéricos e modernos (IEC 61850) são digitais.

Considerando que muitas usinas hidrelétricas no Brasil estão em operação há mais de 30 anos, uma vez que foram construídas para durar, a maioria dos sistemas secundários delas é convencional e, portanto, as modernizações são fundamentais por resolverem problemas crônicos e proporcionarem outros benefícios.

Várias empresas do setor elétrico estão realizando modernizações. Entretanto, instalações existentes não podem ser modernizadas sem razões específicas. Para realizar essa atividade são imprescindíveis fortes justificativas, haja vista os recursos financeiros necessários e demais impactos na geração de energia, ou seja, a interrupção do fornecimento. Assim, os maiores desafios para essas empresas são identificar os motivos para realizar modernizações e o momento para colocá-las em prática. Essa avaliação requer estudos técnicos e econômicos.

Para tomar a decisão pela modernização é necessário ter critérios bem definidos. Esses critérios são levantados e analisados neste trabalho, considerando os aspectos técnicos dos pontos de vista de engenharia, operação e manutenção, com foco no estado da arte. Não há aprofundamento em questões gerenciais, administrativas e econômicas. Apesar disso, é sabido que a redução dos custos de operação e manutenção justifica os investimentos em automação e, portanto, essas questões são abordadas. Note que as grandes questões a serem respondidas são: “por que” e “quando” modernizar?

A razão e o momento para modernizar os sistemas de automação podem ser identificados usando indicadores quantitativos adequados. Existem fatores que podem determinar a necessidade das modernizações desses sistemas por caracterizarem o fim da vida útil, ou seja, são problemas. Outros fatores podem revelar situações favoráveis às modernizações, que podem ser encarados como oportunidades. Portanto, esses fatores juntos compõem os indicadores que respondem às questões acima. Neste trabalho, um conjunto de fatores foi identificado e quantificado, utilizando dados bibliográficos e dados de pesquisas de campo.

A forma de análise adotada para o processo decisório, neste trabalho, é do tipo multicritério. São realizados julgamentos particulares, atribuindo uma nota para cada critério. Como já citado, a investigação utilizou fontes primárias e secundárias para levantamento e análise de dados qualitativos e quantitativos.

Existem vários fatores para se decidir por modernizar, mas a decisão raramente depende de um único tópico. Assim, uma avaliação mais profunda do sistema de automação requer análises técnicas amplas. Devem-se verificar os estados dos recursos (dispositivos e software, quando utilizado) e também compará-los com a última tecnologia disponível no mercado. Portanto, uma avaliação desse tipo requer muitos estudos e pode ser demorada e cara. Entretanto, conforme justificativas apresentadas anteriormente, mais cedo ou mais tarde isso será inevitável. As avaliações podem ser facilitadas por guias de referência, conforme o proposto aqui, para garantir homogeneidade das análises e considerações similares.

Tomada de decisão

O processo decisório, neste trabalho, é do tipo multicritério, com abordagem similar à teoria Analytic Hierarchy Process (AHP) desenvolvida por Thomas L. Saaty na década de 1970. Essa teoria é muito utilizada atualmente em diversas áreas e tem atributos que se encaixam na tomada de decisão deste trabalho.

Não apenas a decisão é difícil, mas todo o processo de modernização é complexo. Entretanto, o adiamento indefinido não é aconselhado, pois poderá expor o sistema à sua completa exaustão, atingindo o fim da vida útil. Isso poderia forçar a redução da potência disponível na usina, causando problemas para o sistema elétrico e grandes prejuízos econômicos. Por outro lado, devem-se evitar investimentos que possam ser depreciados prematuramente bem como a modernização do sistema antes do momento necessário.

Alguns especialistas consideram que a idade do sistema (ou dos dispositivos) é um fator decisivo para a modernização. Entretanto, decidir pela atualização baseando-se apenas na idade do sistema não é adequado. Se for assim, dispositivos idênticos com o mesmo tempo de serviço deveriam ser substituídos ao mesmo tempo. A idade dos dispositivos não é o único critério para determinar se eles estão no fim da vida útil.

A análise dos elementos de decisão é complexa. Entretanto, algumas características e comportamentos do sistema podem dar sinais de que a modernização deva ser realizada. As subseções a seguir apresentam fatores a serem considerados. Para melhor organização eles foram divididos em três categorias: riscos, manutenção e operação. Acredita-se que essas três dimensões amplas são suficientes para a decisão.

Para fazer comparações, uma escala numérica é necessária para indicar quanto mais importante ou dominante é um elemento sobre os outros, com respeito aos critérios estabelecidos. Assim, para análise quantitativa foi definida a
Tabela 1 de pontuações. Ela apresenta os graus (ou níveis) dos problemas e oportunidades.

Tabela 1 – Pontuações para os problemas e oportunidades
 

Usando essa tabela são atribuídos pontos aos sistemas de acordo com os problemas que eles apresentem ou de acordo com as oportunidades para modernizar que eles ofereçam. Os pontos dos tópicos apresentados a seguir são somados para indicar a necessidade de modernização. A soma maior ou igual a dez pontos determina que há necessidade e/ou oportunidade para a modernização. Considerando os problemas, quanto maior for a pontuação total, mais inevitável é a modernização. De modo semelhante, considerando as oportunidades, quanto maior for a pontuação total, mais propícia é a situação para modernizar.

No caso de análise de sistemas diferentes da mesma usina/empresa, a pontuação total também serve para determinar a ordem de modernização dos sistemas: quanto maior for a pontuação mais urgente é a modernização. Note que, mesmo analisando sistemas idênticos, alguns fatores como, por exemplo, disponibilidade e custos, determinarão o sistema a ser modernizado primeiro.

É importante ressaltar que, as análises devem ser feitas por especialistas da área que conheçam bem o sistema em questão. Isso reduz o grau de incertezas e gera o parecer mais correto possível.

Riscos

A presença de algum tipo de risco é um forte indicador da necessidade de modernização. Risco pode ser definido como o produto da probabilidade de que aconteça um evento e as consequências desse evento. Por exemplo, a existência de algum componente do sistema no estado degradado cuja falha implique em problemas de segurança indica alto risco. Em princípio, deve-se identificar que o sistema encontra-se no estado degradado, para tomar uma ação antes que ele atinja o estado arriscado. Os quatro principais riscos envolvendo os sistemas de automação elétrica, em ordem de prioridade, estão associados a:

• Vidas humanas (riscos de mortes): enorme (quatro pontos);

• Instalação: enorme (quatro pontos);

• Sistema elétrico: médio (dois pontos);

• Econômicos: pequeno (um ponto).

A análise de riscos proposta é superficial, feita do ponto de vista geral. É difícil estabelecer índices precisos de risco para diferentes instalações e concessionárias. Para os dois primeiros riscos (vidas humanas e instalação) é atribuído o grau de problema “enorme”, de maior pontuação. Como esses dois riscos (e outros tópicos abaixo) indiretamente também se refletem nos riscos para o sistema elétrico, foi atribuído grau “médio” para eles. De modo semelhante, como outros tópicos abaixo estão relacionados aos riscos econômicos, foi atribuído grau “pequeno” para eles (note que, os outros três riscos também geram perdas econômicas).

Deve ficar claro que não é aceitável manter o sistema de automação em operação com algum tipo de risco. Caso após a análise completa decida-se por não modernizar o sistema de automação, outras medidas para eliminar os riscos existentes devem ser tomadas.

É factível uma análise mais detalhada dos riscos, separando-os em categorias com classificações de graus diferentes. É possível, por exemplo, usar índices de severidade e probabilidades de ocorrência. Para isso, podem-se adotar os conceitos introduzidos pelo método de Análise do Tipo e Efeito de Falha (FMEA – Failure Mode and Effect Analysis). Assim, os riscos aqui apresentados poderiam receber pontuações menores.

No detalhamento, devem-se avaliar a severidade da falha de um dispositivo, a possibilidade de ocorrência dessa falha e o custo associado às medidas para atenuar o risco. Um método de classificar os riscos é atribuir notas de gravidade, de zero a dez, por exemplo, para cada um dos atributos e fazer um somatório. De acordo com a pontuação total decide-se pela modernização ou não, devido ao risco apresentado. Em alguns casos, apenas uma restauração, quando possível, é suficiente para eliminar o risco ou deixá-lo em níveis aceitáveis. Note que o custo da solução adotada deve ser proporcional ao risco que ela elimina.

O aumento da confiabilidade dos sistemas modernos tem impacto sobre o resultado da análise de riscos.  Assim, a análise de risco pode indicar a necessidade da troca de antigos dispositivos por outros modernos mesmo antes que o tempo de vida útil tenha expirado.

Manutenção

A seguir são apresentados os tópicos relacionados à manutenção.

Disponibilidade

A modernização pode ser necessária devido à baixa disponibilidade do sistema de automação. Isso ocorre quando existem componentes no estado degradado. Assim, a baixa disponibilidade é um dos indicadores do fim da vida útil do sistema. Ela é caracterizada basicamente por:

• Baixo Tempo Médio entre Falhas (MTBF – Mean Time Between Failures): o sistema apresenta muitas falhas. As falhas podem ser causadas por defeitos repetitivos ou razões diferentes;

• Alto Tempo Médio para Reparo (MTTR – Mean Time To Repair): o sistema tem defeitos graves que causam aumento do tempo requerido para manutenções. A manutenção está se tornando mais difícil.

Para análise pode ser utilizada a “curva da banheira” clássica. Se for considerado que a taxa de ocorrência de falhas muda de acordo com essa curva, o fator tempo tem impacto direto na disponibilidade do sistema. Assim, com a curva e os valores definidos para cada tipo de componente, pode-se avaliar o estado: nominal ou degradado. A curva é particularmente adequada para os dispositivos eletromecânicos dos sistemas convencionais. Já para os dispositivos digitais, dos sistemas numéricos e modernos, pode-se considerar que, depois de comissionados, a taxa de falhas é associada à parte horizontal da curva, ou seja, eles praticamente não envelhecem. Portanto, como eles não degradam com o tempo, o fim da vida útil deles geralmente é determinado pela obsolescência.

Os graus (pontuações) dos problemas são atribuídos separadamente para indisponibilidades programadas e indisponibilidades forçadas considerando a média dos últimos três anos. As pontuações são apresentadas na Tabela acima. Esses são valores
típicos. De acordo com as características do sistema analisado eles podem ser revistos. Uma forma alternativa de se avaliar a indisponibilidade é comparando o valor atual com a média histórica. Por exemplo, pode-se adotar o critério a seguir (tanto para a indisponibilidade programada quanto para a forçada).

Variação da indisponibilidade com relação à média histórica: 

• 30% maior: pequeno (um ponto);

• 60% maior: médio (dois pontos);

• 90% maior: grande (três pontos);

• 120% maior: enorme (quatro pontos).

Uma terceira forma é utilizar como parâmetros os valores MTBF e MTTR diretamente.

Para todas as formas de análise, verifica-se a necessidade de registrar os índices históricos dos sistemas. Portanto, ferramentas de apoio às manutenções que guardem os dados são importantes para análises futuras.

Além da classificação acima, pode-se atribuir maior pontuação à indisponibilidade considerando que a energia/potência contratada não foi atendida devido à falha do sistema de automação da unidade geradora. Ou seja, caso isso tenha ocorrido duas vezes no ano caracteriza-se um problema “pequeno”, três vezes um problema “médio” e quatro ou mais vezes um problema “grande”, somando-se um, dois ou três pontos, respectivamente. Note que isso está relacionado ao risco econômico, apresentado acima.

Peças sobressalentes

O problema de falta de peças sobressalentes está associado à obsolescência do sistema. Alguns dispositivos e equipamentos têm ciclo de evolução muito rápido como, por exemplo, os computadores. É normal que com apenas três anos já não existam peças sobressalentes no mercado para eles. Alguns fornecedores de sistemas baseados nesses equipamentos já fazem a venda programando uma atualização em torno de cinco anos. Atualmente isso também é motivado pelo relativamente baixo custo desse tipo de hardware.

A falta de peças sobressalentes, em estoque e/ou no mercado, é um problema grave para a manutenção dos sistemas. Em ocorrências de falhas nessa situação, o tempo que uma unidade geradora ficará fora de serviço pode ser muito longo. Em casos extremos, a falta de peças sobressalentes pode deixar o sistema de automação, e consequentemente a unidade geradora, fora de serviço definitivamente (até que o sistema seja substituído). Quando não há mais peças sobressalentes disponíveis no mercado, uma solução é substituir um número limitado de sistemas para obter novas peças sobressalentes. Essa solução é paliativa e pode modernizar parte da instalação. Entretanto, isso não tem sido feito no Brasil.

Outro problema associado às peças sobressalentes é o custo. Para uma dada tecnologia, o custo de peças sobressalentes geralmente aumenta com o tempo. Assim, é possível encontrar equipamentos digitais modernos que desempenhem as funções de antigos equipamentos eletromecânicos, com funcionalidades adicionais e são mais baratos.

Os dispositivos convencionais geralmente são dedicados a uma função específica, o que resulta na existência de muitos dispositivos de fabricantes diferentes. A uniformidade do hardware dos dispositivos modernos (digitais) reduz a diversidade de dispositivos. Isso diminui a quantidade necessária de peças sobressalentes (elas são iguais) e, como consequência, parte do problema acima descrito é solucionada. A migração do sistema para uma plataforma de hardware e software comuns (que é uma característica dos sistemas modernos) representa uma grande vantagem e, portanto, motiva a modernização.

O grau do problema relacionado à falta de peças sobressalentes é dado pela soma das seguintes situações:

• Não há peças sobressalentes no estoque da empresa: pequeno (um ponto);

• Não há peças sobressalentes disponíveis no mercado: médio (dois pontos);

• Não é possível fabricar peças sobressalentes: pequeno (um ponto).

Note que as três condições juntas totalizam quatro pontos, caracterizando um problema “enorme”. Um fator agravante da situação é o preço das peças sobressalentes, citado acima. Caso o valor da peça sobressalente seja 100% maior do que o preço original, soma-se um ponto. Isso equivale a um problema “pequeno”.

Repotenciação

Para a repotenciação de unidades geradoras, pode ser necessária a substituição de equipamentos primários. A substituição desses equipamentos implicará, no mínimo, em modificações da interface com os sistemas secundários. Assim, essa é uma boa oportunidade para atualizar também os equipamentos secundários usando a última tecnologia disponível. Além disso, é muito vantajoso aproveitar o tempo de parada para a repotenciação. Essa vantagem também existe quando forem realizadas grandes manutenções (de longa duração) da unidade geradora. Quanto maiores (e mais demoradas) forem as modificações para repotenciação ou a manutenção, mais conveniente é a modernização do sistema de automação.

O sistema primário atualizado pode incluir sensores e atuadores inteligentes, como Transformadores de Instrumentação Não Convencionais (TINCs) óticos, por exemplo. Esse tipo de sensor pode estar preparado com interface para rede de processo e precisaria de adaptações para trabalhar com sistemas de automação convencionais ou numéricos, o que não faz muito sentido. Ou seja, é mais natural que o sistema de automação esteja preparado para esse tipo de dispositivo ao invés de uma retroação da tecnologia dos sensores.

É importante lembrar que os dispositivos do sistema de automação têm ciclo de vida mais curtos que o tempo de vida da usina (equipamentos primários). Normalmente, os equipamentos secundários são substituídos mais frequentemente que os primários. Assim, diferentes gerações de dispositivos podem coexistir na usina. Portanto, com a atualização do sistema primário, as diferenças de tecnologia também podem ser reduzidas. A padronização facilita a integração do sistema de automação.

A oportunidade para modernização (pontuação) de acordo com o tipo de repotenciação é:

• Repotenciação mínima: pequena (um ponto);

• Repotenciação leve: média (três pontos);

• Repotenciação pesada: enorme (quatro pontos).

Alternativamente, a pontua&ccedil

;ão de acordo com a natureza da repotenciação pode ser obtida pela soma de:

• Repotenciação mecânica (turbina e auxiliares mecânicos): pequena (um ponto);

• Repotenciação elétrica (gerador e auxiliares elétricos): grande (três pontos).

Note que, dessa forma, uma repotenciação completa (mecânica e elétrica) resulta em quatro pontos. De modo semelhante, caso pretenda-se realizar manutenção na unidade geradora de longa duração (tempo suficiente para realizar a modernização), pode-se considerar uma oportunidade média (dois pontos).

Note que neste tópico a pontuação (conforme a Tabela 1) é usada indicando uma oportunidade e não problema do sistema atual (que indicaria que a modernização é necessária).

Custos

Em qualquer negócio os custos são importantes. O item custo é complexo e está relacionado a quase todos os outros tópicos abordados neste trabalho. Quando os custos de operação e de manutenção relacionados ao sistema de automação estão altos, é hora de pensar na modernização. Outro custo que pode guiar essa decisão é o custo de interrupção do fornecimento de energia, devido a falhas do sistema de automação. Uma única falha grave pode justificar a modernização. Para se ter ideia, em alguns casos, a modernização está associada a programas de melhora da qualidade do fornecimento de energia, iniciados após um grave blecaute. Ou seja, é uma ação corretiva depois de grandes perdas.

Uma vantagem da atualização tecnológica é que os recursos necessários para a manutenção de sistemas de automação elétrica modernos são menores comparados com os dos sistemas anteriores. Portanto, o custo total durante o tempo de vida do sistema decresce, comparando-se com o sistema original (antigo).

Para o tópico custos de manutenção, deve-se comparar o custo anual atual com o custo anual médio dos três primeiros anos de operação do sistema, contados após o término do período de funcionamento experimental (ou teste de disponibilidade). Com base nessa relação, deve-se atribuir a seguinte pontuação para o problema:

• Maior ou igual a 30% que a média: pequeno (um ponto);

• Maior ou igual a 60% que a média: médio (dois pontos);

• Maior ou igual a 90% que a média: grande (três pontos).

Uma forma alternativa de se contabilizar esse problema é utilizar o número de homens/ hora para a manutenção como referência em vez do custo. Pode-se manter a relação de proporcionalidade acima para obter a pontuação.

Ainda com relação à manutenção, basicamente deve ser feito um diagnóstico para avaliar se é tecnicamente possível manter os sistemas antigos em operação e quais ações de manutenção devem ser feitas. Uma restauração ou reforma completa do sistema existente pode demandar muito tempo e ter custo elevado. Para a decisão, o custo da restauração/reforma completa (necessária para extensão da vida útil do sistema) deve ser comparado com o custo da modernização.

Assim, pode-se ponderar a oportunidade da seguinte forma:

• Custo maior ou igual a 50%: pequena (um ponto);

• Custo maior ou igual a 100%: média (dois pontos).

Caso o custo para estender a vida útil do sistema seja maior ou igual ao custo para modernizá-lo, a última opção é preferível. Nesses custos devem ser considerados os custos de interrupção, ou seja, o número de dias necessários para a extensão da vida útil (através de restauração ou reforma) ou para a modernização. Entretanto, esse tópico é tratado aqui como uma oportunidade, pois ele não deve ser um critério para afirmar que a modernização é necessária.

Os custos citados acima são os básicos: projeto, equipamentos e realização. Pode ser realizada uma análise mais completa para comparar os custos de vida dos sistemas (original e modernizado). Nesse caso, a análise é mais complexa, pois é necessário também considerar além do investimento, os custos de operação, manutenção, treinamento do pessoal, etc.

Outro parâmetro que pode ser utilizado para quantificar esse tópico é a diferença entre os tempos para uma extensão da vida útil e para a modernização. Esse tempo reflete a interrupção de geração, ou seja, perda de receita (e talvez outros encargos). Assim, caso o tempo necessário para fazer a extensão da vida útil seja igual ou maior do que a metade do tempo para a modernização, pode-se adicionar um ponto por ser uma oportunidade “pequena”. Note que, indiretamente o tempo de interrupção foi considerado no tópico custo para extensão da vida útil × custo para a modernização, apresentado acima.

Outro item a ser considerado é a redução de recursos humanos necessários para manutenção devido à modernização. É previsto que os períodos de intervenção para manutenção dos sistemas modernos são maiores que os dos sistemas convencionais. A proporção de diferença poderá chegar a três vezes. Assim, as equipes de manutenção poderão ser reduzidas após a modernização. Para uma redução maior ou igual a 30%, pode-se considerar que é uma oportunidade “pequena”, contabilizando um ponto.

O custo de operação é mais estável ao longo dos anos (para a mesma planta). Pode ser feita uma comparação entre os custos atuais (para operar com o sistema instalado) e os custos estimados para o sistema modernizado. Nesse caso, o custo pode ser reduzido, por exemplo, pela maior automação das atividades e, consequentemente, pela redução da equipe de operação. Com os sistemas modernos os operadores podem fazer suas tarefas de maneira mais precisa e rápida. Assim, caso se estime que a equipe de operação será reduzida de no mínimo 30%, também se pode considerar uma oportunidade “pequena”, somando-se mais um ponto. Os operadores que deixam a operação em tempo real podem ir para outras áreas da empresa.

O custo da obra também deve ser considerado. O custo do sistema de automação é relativamente pequeno comparado ao custo total da unidade geradora. Para uma unidade geradora de grande porte, ele (sistema de automação com tecnologia numérica) representa em torno de 2,5% do custo total (incluindo engenharia, todos os equipamentos, obras civis e montagem eletromecânica). Considerando apenas o custo dos equipamentos principais (turbina, gerador, regulador de velocidade, regulador de tensão, barramentos blindados, transform

ador elevador principal) e sistema de proteção, o custo do sistema de automação representa em torno de 3,5% do total. Dessa forma, considerando o custo relativo e os benefícios proporcionados, a modernização do sistema de automação é um investimento justificável. Note que o custo relativo tende a ser menor com a tecnologia moderna plena, devido à redução de cabeamento de cobre (material e trabalho).

O maior problema de custos da modernização do sistema de automação é a indisponibilidade de geração. Grosso modo, considerando o custo do megawatt hora do mercado e uma parada de 45 dias de um gerador de grande porte para a realização, a perda de receita de geração representa, aproximadamente, quase o custo total de investimento no sistema de automação. Dessa forma, é muito importante reduzir o tempo de realização e/ou realizar a modernização do sistema de automação em paralelo com outras atividades de manutenção já programadas. No caso de repotenciação da unidade geradora ou manutenção demorada, por exemplo, parte desse tempo já estaria incluída no tempo total da obra.

Recursos humanos

Outro problema relacionado à manutenção (e em menor grau à operação) que sugere a modernização do sistema de automação é a falta de especialistas. A falta de equipe técnica qualificada está associada à obsolescência do sistema. O problema pode ser interno à empresa ou externo: falta de assistência técnica especializada no mercado. Portanto, a indisponibilidade de pessoal, tanto de manutenção como de operação, é outro motivo para se decidir por modernizar.

Os cursos de formação dos profissionais seguem a evolução da tecnologia. É verdade que nas escolas isso ocorre mais lentamente do que na indústria. Mesmo assim, os profissionais mais antigos das concessionárias dominam as lógicas de automação baseadas em relés, enquanto os novos profissionais estão mais familiarizados com sistemas digitais, envolvendo controladores lógicos programáveis, redes de comunicação de dados e computadores. Portanto, as aposentadorias de empregados causam alteração no perfil técnico predominante da empresa. Isso é inevitável e ocorre naturalmente, devido às mudanças das tecnologias.

Quando se prevê que não haverá uma quantidade mínima de profissionais na empresa que dominem a tecnologia do sistema de automação atual, deve-se começar a pensar na modernização do sistema. Além disso, a dificuldade para encontrar os profissionais qualificados no mercado é um sinal de alerta para
priorizar a atualização. Outra solução (alternativa à modernização) é treinar novos profissionais, mas isso não é fácil e nem sempre é possível, conforme discutido a seguir.

A maior dificuldade com relação à mão de obra está associada à manutenção. Com relação à operação, a falta de mão de obra também é um problema, mas é mais fácil solucioná-lo através de treinamentos, pois a rigor o que muda para a operação é a Interface Humano-Máquina (IHM) utilizada e a quantidade de informações disponíveis. Portanto, considerando apenas a equipe de manutenção, o problema de falta de mão de obra especializada pode ser quantificado pela soma dos itens:

• Previsão de aposentadorias dos especialistas: pequeno (um ponto);

• Carência de especialistas na empresa: médio (dois pontos);

• Carência de especialistas no mercado: médio (dois pontos).

Note que a falta de mão de obra na empresa e também no mercado é um caso extremo, mas ele indica um problema “enorme” para manter o sistema. Caso seja factível, o problema pode ser amenizado ou até mesmo solucionado com treinamentos, considerando o tempo e recursos disponíveis. Entretanto, quando se trata de tecnologias diferentes o treinamento não é tão simples e exige-se muito tempo de experiência para a manutenção eficaz. Além de tudo, é necessário encontrar profissionais que aceitem estudar tecnologias ultrapassadas. Portanto, o problema está caracterizado.

Operação

A seguir são apresentados os tópicos relacionados à operação.

Tempo em operação

O ciclo de vida dos sistemas de automação é menor do que o ciclo de vida dos sistemas primários. Isso se deve, principalmente, ao fato de os dispositivos secundários se tornarem obsoletos antes do fim da vida útil dos equipamentos primários. Em média duas gerações de dispositivos secundários devem ser usadas com os mesmos equipamentos primários. Portanto, a modernização do sistema de automação pode ser feita (ser necessária) de maneira conjunta ou independente da troca dos equipamentos primários.

A diferença entre os ciclos de vida citados no parágrafo anterior tem impacto nos requisitos de interfaces. A instalação de um novo sistema de automação pode ter grandes restrições com relação às interfaces com os equipamentos primários, que usem tecnologia anterior. Devido a essa dificuldade, podem ser necessárias modificações ou adaptações de sensores e atuadores.

De acordo com o tempo acumulado de operação do sistema de automação, o problema pode ser classificado considerando o tempo de vida útil médio da tecnologia empregada, conforme apresentado a seguir.

Note que o número de anos para a tecnologia numérica é menor devido ao menor tempo de vida dessa tecnologia. Observe ainda que, como a tecnologia moderna ainda é relativamente nova, os sistemas que a utilizam não são considerados com problemas de tempo de operação. No futuro, isso também deverá ser contabilizado. Espera-se que o problema “grande” seja caracterizado apenas em sistemas com mais de 20 anos. Espera-se também que as modernizações nesses casos não sejam completas, mas realizadas mais facilmente trocando Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IEDs – Intelligent Electronic Devices) interoperáveis (ou até intercambiáveis) e atualizando o software.

Geralmente, o tempo para amortização do investimento de construção original de uma usina hidrelétrica é de 30 anos. Assim, considerando os valores em anos definidos acima, deve-se ter em conta que provavelmente nas usinas com menos de 30 anos de operação isso pode ser um complicador para a modernizaç&

atilde;o. Uma forma de ponderar essa situação é reduzir um ponto quando o investimento ainda não estiver amortizado.

Por outro lado, os processos de modernizações das instalações hidrelétricas (usina completa) ocorrem com vida útil da ordem de 25 a 40 anos (para tecnologia convencional). Assim, os valores em anos definidos acima estão coerentes com o momento de atualização de toda a usina. Isso é um facilitador, considerando que a modernização do sistema de automação poderá ser concomitante à obra modernização das outras partes da usina. Portanto, nesse caso, podem ser adicionados dois pontos devido à oportunidade “média”.

Outra motivação para a atualização é relacionada à infraestrutura de operação. Com o passar dos anos, ela pode não ser mais adequada. As salas de controle podem estar envelhecidas e subdimensionadas para a realidade atual. Como as tecnologias modernas requerem menos espaço físico, as salas de controle poderiam voltar a atender às necessidades de maneira satisfatória, com a substituição do sistema de automação antigo (sem obras para ampliações). Assim, a modernização do sistema de automação é uma boa oportunidade para também reformar as salas de controle. Para reformá-las, vários aspectos devem ser considerados como, por exemplo, ergonomia, infraestrutura e layout. Portanto, quando as salas de controle estiverem inadequadas, pode-se adicionar um ponto por ser uma oportunidade “pequena” para modernização do sistema de automação (e ao mesmo tempo reformar as salas).

Funcionalidades

A obsolescência do sistema devido à incapacidade de desempenhar novas funcionalidades está relacionada principalmente à operação. Com a evolução dos sistemas de automação surgiram funcionalidades. Muitas delas são novas necessidades dos operadores.

Uma mudança de estratégia da concessionária, que implique em modificações do sistema de automação como, por exemplo, a opção pelo controle centralizado remoto, pode ser uma razão para modernização. O impacto dessa mudança pode ser desde a inclusão de um protocolo ou até mesmo a substituição completa do sistema de automação, de acordo com o sistema instalado (em operação).

Com a mudança de visão ou necessidades da operação, é preciso estabelecer as funcionalidades requeridas, classificando-as como básicas (obrigatórias) ou acessórias (opcionais ou desejadas). Em seguida, deve ser verificado se essas funcionalidades poderão ser satisfeitas pelo sistema atual, mesmo que submetido a pequenas adaptações. Caso não seja possível, a modernização pode ser necessária.

Assim, a falta de funcionalidades no sistema de automação também é motivo para modernizá-lo. Não é conveniente operar com um sistema que careça de funcionalidades. Esse problema pode ser pontuado como:

• Faltam funcionalidades acessórias: leve (um ponto) – ou médio (dois pontos);

• Falta alguma funcionalidade básica: enorme (quatro pontos).

As funcionalidades acessórias podem facilitar a operação e aumentar a confiabilidade. Entretanto, como a usina originalmente operava sem essas funcionalidades e certamente com índices de desempenho adequados, foi considerado um problema “leve” (ou “médio”). Note que, parte dessas funcionalidades pode estar associada à IHM ou às comunicações, apresentadas nos tópicos a seguir. Entretanto, esse item pode ser detalhado como, por exemplo, atribuindo mais pontos quando se carece de mais funcionalidades acessórias (proporcionalmente).

A falta de funcionalidade básica foi considerada um problema “enorme”. Apesar disso, caso seja possível incluir as funcionalidades básicas que faltam sem a modernização, essa solução pode ser adotada (custos e tempo).

Por fim, com maior automação do processo, provavelmente o treinamento dos operadores pode ser menor (simplificado), reduzindo os custos. Além disso, também existe a possibilidade de redução do tamanho do quadro de operadores, conforme apresentado no tópico custos. Tudo isso são motivações para a modernização.

Em alguns casos chega-se a afirmar que a redução de gastos com recursos humanos (de operação e de manutenção) no longo prazo paga a nova tecnologia. É uma afirmação fria, mas pode se tornar real.

Interfaces Humanos–Máquinas

Os painéis mímicos dos sistemas convencionais têm dois problemas principais. Primeiro, eles consistem de muitos componentes discretos simples que normalmente requerem manutenção. Depois, é muito complicado adicionar um novo indicador (instrumento) ou acionamento (botoeira/chave) para o controle. As IHMs dos sistemas modernos não têm essas deficiências. Nelas, as taxas de falhas do hardware e do software são muito baixas e alterações podem ser feitas facilmente.

Além de tudo, as IHMs dos sistemas modernos apresentam outras vantagens. A vantagem mais visível é a economia de espaço, comparando com os painéis mímicos convencionais. Outra vantagem, essa mais sentida pelos operadores, é a concentração da IHM centralizando as informações, em uma estação de trabalho (computador). Assim, os operadores não precisam se mover pela planta, facilitando a operação e diminuindo os riscos. Por fim, as IHMs modernas usam componentes padronizados (figuras e textos) proporcionando uma interface comum, mesmo para operar equipamentos primários de diferentes modelos ou até tecnologias.

Caso se considere necessário, as telas das novas IHMs podem ser criadas compatíveis com as gerações de IHMs anteriores. Por exemplo, o antigo painel mímico pode ser emulado na tela da estação de trabalho, usando as mesmas regras de segurança. Porém, isso restringe o uso da nova tecnologia e não é aconselhado.

Para identificar a necessidade de modernização devido a deficiências da IHM, pode ser considerado:

• IHM através de estações de trabalho não gráficas: pequeno (um ponto);

• IHM convencional (não há estações de trabalho): médio (dois pontos).

Comunicações

O grau de comunicação de dados disponível no sistema de automação pode ser avaliado através das redes de comunicação existentes. Para isso, são consideradas as redes dos três primeiros níveis do sistema de automação. Para cada rede inexistente, soma-se um ponto:

• Não há rede no n

ível 0 – processo: pequeno (um ponto);

• Não há rede no nível 1 – unidade: pequeno (um ponto);

• Não há rede no nível 2 – estação local: pequeno (um ponto).

O tópico comunicações está relacionado a outras características do sistema de automação. Por exemplo, se não há rede no nível de processo, provavelmente não há sensores inteligentes e certamente não há TINCs. De modo semelhante, se não há rede no nível de estação local, provavelmente também não há servidores de dados históricos para armazenar as sequências de eventos nem comunicação por rede com centros de controle. Assim, esse tópico também está relacionado à obsolescência do sistema.

Uma forma alternativa de avaliar as comunicações é considerar o meio físico e a velocidade de comunicação: cabeamento convencional metálico (não há comunicação serial), comunicação serial em baixas velocidades (interfaces RS 232 ou RS 485), comunicações por rede em alta velocidade (Ethernet 10 Mbit/s ou mais), etc. De acordo com essas características são atribuídas as pontuações.

Caso exista um sistema SCADA “em paralelo” ao sistema de automação da unidade geradora, este tópico pode ser parcialmente desconsiderado. Pois, nesse caso, o sistema SCADA supre as deficiências de comunicação do sistema de automação. Uma análise mais detalhada pode quantificar essa compensação.

Conclusões

As modernizações de sistemas secundários de usinas hidrelétricas começam a ter muita importância no Brasil. As modernizações dos sistemas de automação de unidades geradoras são atividades estratégicas, e inevitáveis com o passar dos anos, para manter as condições operacionais satisfatórias. Essas modernizações garantem, no mínimo, extensão da vida útil e aumento da disponibilidade, fatos que sozinhos justificam as modernizações.

A tomada de decisão pela modernização dos sistemas de automação é um desafio. Entretanto, a razão e o momento para modernizar podem ser identificados usando indicadores quantitativos adequados. Existem fatores que indicam a necessidade das modernizações desses sistemas, que caracterizam o fim da vida útil. Outros fatores podem revelar situações favoráveis às modernizações, que podem ser encarados como oportunidades.

As principais razões que têm levado as empresas a realizarem modernizações dos sistemas de automação de usinas (e subestações) são a obsolescência e a baixa disponibilidade. Na prática, o problema principal relacionado a essas razões é a falta de peças sobressalentes. Por outro lado, entre as oportunidades, as repotenciações e as grandes manutenções (de longa duração) são as mais fortes. Entretanto, esses não devem ser os únicos motivos a serem considerados. Deve ser feito um diagnóstico técnico mais abrangente, sempre pensando no longo prazo. A relação entre benefícios e custos também é importante.

Neste trabalho, um conjunto amplo de fatores foi identificado e quantificado. Concluiu-se que, esse conjunto de indicadores quantitativos pode decidir a necessidade de modernização dos sistemas de automação de grandes unidades geradoras. Foram elaborados critérios (usando os indicadores) para tomar a decisão por modernizar. O método proposto pode ser usado como referência no setor elétrico para apoiar as tomadas de decisão. Ele pode ser uma ferramenta para os planejamentos de atualizações tecnológicas, as quais são atividades muito importantes para todas as empresas do setor.

Os critérios para a tomada de decisão têm outra utilidade. O resultado da análise baseada neles pode ser usado para definir prioridades, para selecionar qual sistema modernizar primeiro dentro de um grupo já definido.

Para aplicar parte dos critérios de decisão aqui propostos é necessário conhecer os dados históricos da manutenção do sistema anterior. Assim, é importante o registro desses dados. Além de serem úteis para a manutenção, eles serão decisivos para saber a necessidade e o momento da modernização. Atualmente o registro e a análise desses dados são facilitados pelo uso de sistemas para gestão e controle da manutenção.

É importante que todas as empresas do setor elétrico tenham planos de modernizações. Para atualizações tecnológicas bem sucedidas são necessários planejamento, envolvimento de todas as áreas da empresa relacionadas ao processo, especificação técnica coesa atualizada e treinamento adequado das equipes de projeto, manutenção e operação. Os resultados apresentados neste trabalho podem servir de orientação.


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Marcos Fonseca Mendes é engenheiro eletricista, mestre em Engenharia Elétrica e doutor em Ciências (Sistemas de Potência) pela Universidade de São Paulo (USP). É engenheiro da Itaipu Binacional desde o ano 2000, atuando na engenharia de projetos. Associado ao Cigré e à Abenge, é ainda membro da IEC (TC57 / WG18), do IEEE / PES e da ABNT.


 

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