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SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Versão 1.0 XXX.YY

14 a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ

GRUPO I

GRUPO DE ESTUDO DE GERAÇÃO HIDRÁULICA

UTILIZANDO TÉCNICAS DE REALIDADE VIRTUAL PARA O DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA COMPUTACIONAL QUE OBJETIVA A REPRESENTAÇÃO DA PARTIDA, PARADA E FUNCIONAMENTO DE

UMA UNIDADE HIDROGERADORA INTEGRADA EM UM SISTEMA ELÉTRICO

Paulo Roberto Moutinho de Vilhena * Manoel Ribeiro Filho Andrey Costa Lopes

Marcus Vinícius Alves Nunes Pebertli Nils Alho Barata

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPA

RESUMO Este trabalho pretende utilizar as potencialidades provenientes da Realidade Virtual (RV) para auxiliar o ensino e o treinamento de profissionais da área de operação de uma usina hidroelétrica através do desenvolvimento de uma ferramenta virtual que permite a visualização da partida-parada e funcionamento de uma unidade hidrogeradora (UHG) interligada a um sistema de potência. PALAVRAS-CHAVE Realidade virtual, Treinamento, Operação

1.0 - INTRODUÇÃO

Um dos maiores desafios em plantas industriais de grande porte, complexas ou que não podem ser paralisadas, sob pena de prejuízo financeiro, material, ou de segurança dos envolvidos é a realização de treinamento do pessoal especializado em manutenção. Instalações nucleares, usinas siderúrgicas ou hidrelétricas possuem uma alta complexidade que treinamentos convencionais, baseados em documentos impressos, não são suficientes para cobrir; deixando ainda uma lacuna cognitiva entre a teoria e a aplicação prática do treinamento (1). Por outro lado, treinamentos utilizando Realidade Virtual na indústria vem apresentando resultados satisfatórios nas boas experiências da Educação em Engenharia (2) (3) (4) (5) e visualização de ambientes virtuais complexos em CAD (6) (7) (8). Dessa forma, o informe técnico apresenta os resultados de parte de um sistema maior que utiliza técnicas de RV para treinamentos de operadores de uma usina hidrelétrica formado por quatro módulos principais: educativo, treinamento, montagem e operação que será descrito no decorrer do informe técnico. No Módulo Educativo (3), (ver Figura 1 – (a)) o usuário pode escolher uma seção, desmontá-la e remontá-la novamente. A cada passo, além de visualizar e interagir com a peça mecânica, recebe informações textuais sobre esta. Pode-se tornar transparentes partes da UHE para visualizar peças interiores, navegar por todo o mundo virtual e escolher entre cinco ângulos de visão pré-defindos para um melhor entendimento do funcionamento do sistema. Na montagem (referência do SVR2008), para promover uma percepção mais dinâmica do treinamento quanto às inter-relações das peças, o treinando pode executar uma montagem das peças da UHG na seqüência em que ocorreram na prática.

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No Módulo de Manutenção (3), o objetivo é permitir que o usuário possa executar virtualmente os procedimentos de manutenção que são efetuados na UHG. O módulo possui três modos de treinamento com graus de dificuldade crescente que dependem do nível de conhecimento do treinando sobre o procedimento de manutenção. O usuário entra com login e senha, permitindo que o sistema registre sua evolução em cada treinamento e permitindo que ao retornar inicie do ponto em que parou. O usuário só pode passar ao próximo modo se finalizar as tarefas do modo em que se encontra. Os modos de treinamento são: automático, auxiliado e exploratório.

(a) (b) (c)

(a) Módulo educativo - unidade hidrogeradora. (b) Módulo montagem – encaixe da turbina francis. (c) Módulo manutenção - manutenção da troca da junta entre o pré-distribuidor e a tampa superior.

FIGURA 1 – Módulos da UGV

2.0 - IMPLEMENTAÇÃO COMPUTACIONAL

O programa computacional foi implementado usando o ambiente de desenvolvimento DELPHI, sendo este Orientada a Objetos e o ambiente tridimensional que representa a UHG foi construído utilizando-se a biblioteca Open Source GLScene para Delphi (9). GLScene é uma biblioteca 3D baseada em OpenGL para Delphi. Fornece componentes visuais e objetos, permitindo a descrição (grafo de cena) e renderização das cenas 3D. Com o objetivo de tornar as figuras mais realistas, a UHG e suas peças mecânicas foram modeladas em um programa CAD e depois carregadas para o ambiente virtual. A modelagem eletromecânica da dinâmica da UHG foi implementada na linguagem DELPHI. Os gráficos foram desenvolvidos através da classe TChart nativa do DELPHI, responsável por gerar os gráficos das variáveis de maior importância do sistema, tais como tensão gerada, velocidade do eixo do rotor do gerado, entre outras.

3.0 - ARQUITETURA COMPUTACIONAL

A Figura 2 mostra o inter-relacionamento das principais funcionalidades do sistema (3) descritas abaixo:

• O Gerenciador de Treinamento é responsável por coordenar as demais funções visando acompanhar o desempenho do treinando no decorrer do tempo. A partir do gerenciador de treinamento, o treinando escolhe que tipo de treinamento irá realizar, educativo, operação, montagem ou manutenção e o gerenciador aciona as funções apropriadas para realizá-lo.

• Os documentos XML guardam as informações sobre os modelos 3D (nome, descrição, dados físicos, posicionamento no ambiente, entre outras). E sobre os treinamentos (seqüência de passos, peças que devem ser manipuladas, etc.).

• O Carregador ou Loader 3D responde pelo carregamento em memória dos modelos 3D (peças mecânicas) utilizados na construção do mundo virtual. Estes modelos foram criados no 3D Studio à partir de plantas da usina hidrelétrica e são carregados no grafo de cena.

• O Renderizador é responsável pela exibição do ambiente virtual ao treinando, ou seja, gerenciamento da visualização das peças e do observador, suas manipulações e posicionamentos.

• A Informação Textual é responsável por exibir ao treinando informações sobre a peça em estudo. As informações exibidas são dinâmicas e dependem de vários fatores, como conteúdo do ambiente virtual, natureza do treinamento, nível de detalhamento da peça, grau de conhecimento do treinando e ação executada. Esta funcionalidade também gerencia as respostas que são dadas ao treinando.

• A interação do usuário compreende os dispositivos e drivers responsáveis por interpretar os estímulos externos do treinando. Estes estímulos são realizados hoje através do mouse e teclado, que representam a intenção e a ação que o treinando deseja tomar durante determinada parte do treinamento.

• No Modelamento Dinâmico a interação entre os módulos da modelagem dinâmica e o ambiente virtual 3D, é responsável por toda dinâmica e por todo realismo do sistema, pois o primeiro resolve as equações do gerador e da turbina Francis, a cada amostra, e repassa os valores das variáveis para as animações no Ambiente Virtual 3D, fazendo com que o sistema no ambiente comporte-se como uma UHG real.

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FIGURA 2 - Diagrama com as principais funcionalidades internas do sistema.

4.0 - OPERAÇÃO DO SISTEMA

A operação do sistema tridimensional é dividida basicamente em duas partes: contingências e partida-parada. Nas contingências, a UHG está interligada a um sistema de potência em que o operador pode executar o programa utilizando parâmetros do sistema e carregá-los, dessa forma, pode observar o comportamento do sistema em tempo real, diante de variações de carga e de faltas no sistema elétrico, e a partida-parada da UHG representada através de uma simulação virtual em que o operador visualiza várias pré-condições para que a UHG seja desligada ou interligada ao sistema. 4.1 Contigências Ao clicar no botão Girar, conforme mostra a Figura 3 (a), a UHG entra em operação, destacando no Mundo Virtual a animação das partes girantes para o conjunto Turbina/Gerador. A animação das partes móveis da UHE é regida pela dinâmica eletromecânica do conjunto Turbina/Gerador, sendo que, conforme o evento a simular, uma determinada contingência pode alterar dinamicamente os valores da velocidade do rotor como, o torque mecânico, abertura do distribuidor e tensão terminal, entre outras. Na mesma seqüência, ao clicar no botão Aplicar Contingência, tem-se a aplicação de um curto-circuito no terminal da Subestação da UHG, em que entra em operação a atuação do regulador de velocidade através da animação do sistema Distribuidor da Turbina O controle primário de velocidade da turbina basicamente monitora a velocidade do eixo do conjunto Turbina-Gerador. durante a operação da usina. Para uma turbina tipo Francis, o controle é exercido por um conjunto formado por aletas móveis, servomotores e anéis de regulação, chamados coletivamente de distribuidor. Tal controle é realizado mediante a alteração da posição do distribuidor. As comportas do distribuidor são defletidas simultaneamente através da rotação de um anel de comando no qual cada comporta está articulada. Na Figura 3 tem-se um esquema detalhado do movimento das peças do Distribuidor. A modelagem dos reguladores de velocidade e tensão e a topologia de rede utilizados na simulação podem ser visto em (5). De forma a ter-se uma visualização gráfica das principais grandezas eletromecânicas da UHG, durante a operação, foi desenvolvida a interface Gráficos. Esta interface é habilitada ao clicar no botão Oscilografias, mostrado na interface anterior da Figura 6. Na Figura 8 apresenta-se a interface Gráficos, com a enumeração de seus elementos:

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(a) (b)

(c)

(a) Interface inicial da operação. (b) Peças móveis animadas durante a simulação. (c) Interface gráficos.

FIGURA 3 - Pré-condições de partida satisfeitas 4.2 Partida-Parada Na simulação da partida-parada da UHG uma animação tridimensional (ver Figura 4) exibe informações detalhadas e necessárias para a execução de manobras de partida e parada que são feitas através de procedimentos corretos o que assegura o perfeito desempenho dos equipamentos envolvidos. Uma unidade geradora é composta por diversos equipamentos, os quais se completam. Entre esses equipamentos estão: o gerador, mancais, turbina, distrubuidor, sistema de excitação, regulador de velocidade, comporta de tomada d’água, transformadores, regulador de tensão, dentre outros, estes têm uma relação direta com a partida-parada da máquina. Para essa modalidade de partida-parada, toda a sequência operativa é feita através do computador, que pela aquisição de dados, enviados através de relés e dispositivos mantêm o computador informado das condições operativas de cada equipamento nos diversos estágios da UHG, e restitui as informações para os relés e dispositivos, os quais providenciam a sequência automática da partida-parada da máquina (10). Na Figura 4, é possível visualiar a interface gráfica da partida-parada com suas principais funcionalidades e parâmetros que variam no decorrer da simulação virtual.

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FIGURA 4 - Pré-condições siscronismo

4.2.1 Partida Automática

Na sequência de partida, a máquina encontra-se no estado de uma parada normal (Unidade Parada – UP). Após a ordem de partida, a simulação tridimensional da partida inicia e uma séria de pré-condições são verificadas automaticamente ao longo do tempo: a comporta tomada d’água aberta, o distribuidor fechado e o rotor do gerador abaixado ver Figura 5.

(a) (b)

(c) (d)

(a) Comporta tomada d’água aberta (b) Distribuidor fechado (c) Distribuidor fechado (d) Rotor do gerador abaixado

FIGURA 5 - Pré-condições de partida satisfeitas Com essas pré-condições de partida satisfeitas, a unidade está pronta para giro mecânico (UPGM). Neste estado da simulação virtual, os freios são acoplados (Figura 6 – (a)) para evitar o deslocamento indevido do grupo turbina-gerador e a bomba AG entra em operação (na simulação, a bomba AG muda de cor, c) para a injeção de óleo nos patins do mancal de escora da máquina (Figura 6 – (c)), a seqüência de operações se prossegue pelo

Mundo Virtual Informações

Textuais

Botões de Ação

Pausa a Simulação

Mensagens

Indicadores

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desacoplamento dos freios do gerador ocasionando a abertura do distribuidor (Figura 6 – (d)), iniciando o movimento rotativo da máquina, ou seja, a partida propriamente dita. Após a abertura do distribuidor duas variáveis são monitoradas: rotação nominal da máquina e abertura do distribuidor. O regulador de velocidade controla o aumento da rotação da máquina até a rotação nominal em que ocorrem os seguintes eventos: a 30% da rotação nominal e 30% de abertura do distribuidor, a bomba “AG”, de injeção de óleo no mancal de escora é desligado (na simulação a bomba AG muda de cor) e a 50% da rotação nominal, é feita a correção na abertura do distribuidor para a posição equivalente a rotação correspondente a vazio (abertura de 17%).

(a) (b)

(c) (d)

(a) Freios acoplados (b) Bomba AG ligada (c) Injeção de óleo nos patins do mancal de escora da máquina (d) Distribuidor aberto

FIGURA 6 - Pré-condições de giro mecânico Com as pré-condições de giro mecânico satisfeitas, o distribuidor já está aberto e a máquina entra em marcha a vazio não excitada (MVNE). A 80% da rotação nominal, as pré-condições de sincronização são satisfeitas e ocorre o fechamento automático do disjuntor de campo e consequentemente são exibidos os pólos do gerador e o anél coletor que mudam de cor para mostrar a excitação do gerador (Figura 7 – (a)), a unidade entra em marcha a vazio excitada (MVE). Com as pré-condições de sincronização satisfeitas o disjuntor principal de 500 KV é fechado. A 90% da rotação nominal, a unidade é sincronizada (US), roda em vazio e logo após começa a tomar carga (ver Figura 7 – (b)).

(a) (b)

(a) Pólos do gerador e anel coletor excitados (b) Máquina sincronizada

FIGURA 7 - Pré-condições siscronismo

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4.2.2 Parada Automática

Na sequência de parada, a máquina encontra-se no estado de sincronismo (Unidade Sincronizada – US, ver Figura 8 – (a)), após a ordem de parada normal, a simulação tridimensional da parada inicia com os seguintes procedimentos e manobras: verificação se a máquina encontra-se em carga ativa e/ou reativa fora da operação conjunta, redução da carga ativa e reativa para zero, o disjuntor principal e o de campo são abertos. Com isso, é acionado o fechamento das palhetas do distribuidor até sua abertura atingir 0 %, Figura 8 – (b). Com o fechamento total do distribuidor, inicia-se a desaceleração do grupo de 100% até a velocidade nula e ocorrem os seguintes eventos: a 30% da rotação nominal os freios da máquina são acoplados e é dado comando de partida da bomba "AG". Com os freios aplicados, a máquina reduz rapidamente a velocidade até parar, Figura 8 – (c).

(a) (b)

(c) (d)

(a) Comporta tomada d’água aberta (b) bomba AG ligada (c) Freios desaplicados (d) Distribuidor aberto

FIGURA 8 - Pré-condições de giro mecânico Após confirmação de máquina parada, através da verificação do indicador de velocidade em 0%, a bomba "AG" é desligada (Figura 8 – (d)) e posteriormente os freios são desacoplados e a unidade está parada (Unidade Parada – UP, Figura 8 – (d)). A máquina nas condições de parada (Unidade Parada - UP), descritas nesse item, está no estado de uma parada normal, pronta para ser acionada a partida desta a qualquer instante, para isso, basta executar as manobras de partida.

5.0 - CONCLUSÕES

A construção do ambiente virtual tridimensional representando os procedimentos de partida, parada e funcionamento de uma UHG faz parte do interesse em desenvolver um laboratório virtual de treinamento de profissionais e estudantes do setor energético, pois existe o consenso definitivo de que a RV pode ajudar efetivamente no processo de interação ensino-aprendizagem.

6.0 - BIBLIOGRAFIA

(1) BLUEMEL, E., HINTZE A., SCHULZ T., et al “Virtual Environments for the Training of Maintenance and Service Tasks”, In: Proceedings of the 2003 Winter Simulation Conference , vol.2. The Fairmont New Orleans, New Orleans, LA. 7-10 Dec. 2003. p.p. 2001-2007. Digital Object Identifier 10.1109/WSC.2003.1261664.

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(2) GRIMONI, J.A. B., REIS, L. B. dos, ZUFFO, M. K. et al. Ambiente de simulação virtual para capacitação e treinamento na manutenção de disjuntores de subestações de energia elétrica. XVIII SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 16 a 21 de Outubro de 2005. Curutiba – Paraná. (3) PAMPLONA, A. Jr., MANOEL, R. FILHO, SOUZA, M. A., et al. (2006) "A Virtual Reality System for Hydroelectric Generating Unit Maintenance Training and Understanding" ISCA 19th International Conference on Computer Applications in Industry and Engineering (CAINE-2006). Imperial Palace Hotel, Las Vegas, Nevada, USA. 13 – 15 Nov (4) PANTELIDIS, V. “Virtual Reality and Engineering Education”. Computer Applications in Engineering Education, Vol. 5 No.1, p.3-12, John Wiley & Sons,1997. (5) LOPES, A. C., NUNES, M. V. A., VILHENA, P. R. M., MANOEL R. FILHO, BARATA, P. N. A.. Utilizando técnicas de realidade virtual para o desenvolvimento de programa computacional que objetiva a representação de uma unidade hidrogeradora integrada em um sistema elétrico. XVI Congresso Brasileiro de Automática e XII Congresso Latino Americano de Controle Automático realizados de 03 a 06 de outubro de 2006 na cidade de Salvador – Bahia – Brasil. (6) FUSSE, C. H., ALTEA, C. de M., ARANDA, D. G. et al. Sistema integrado de ferramentas de engenharia para projeto mecânico de hidrogeradores com aplicativos CAD – 3D. XVIII SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 16 a 21 de Outubro de 2005. Curutiba – Paraná. (7) CORSEUIL, E. T. L., RAPOSO, A. B. et al. “ENVIRON – Visualization of CAD Models In a Virtual Reality Environment. In Eurographics Symposium on Virtual Environments (EG-VE)”. pp. 79-82, 2004. (8) BIERBAUM, A. “VR Juggler: A Virtual Platform for VirtualReality Application Development”, Master Thesis, Iowa State University, 2000. (9)GLSCENE OPENGL SOLUTION FOR DELPHI. Disponível em <http://glscene.sourceforge.net/index.php>. Acesso em: 02 Fev. 2006. (10) ELETRONORTE. (1984) Manual de Instrução técnica de Operação – partida e parada das máquinas principais.

7.0 - DADOS BIOGRÁFICOS

• Paulo Roberto Moutinho de Vilhena;

• Nascido em Macapá, AP em 02 de outubro de 1981;

• Graduação (2003) em Tecnologia em Informática: CEFET-PA, Especialização (2004) em Engenharia de Sistemas: CESUPA, Graduação (2005) em Engenharia Elétrica: UFPA; Mestrando em Engenharia Elétrica: UFPA;

• Empresa: ELETRONORTE - Centrais Elétricas do Norte do Brasil, desde 05/03/2007;

• Engenheiro de manutenção elétrica da regional de produção e comercialização do Amapá – CAP.