Como preencher a lacuna — Integração eficiente dos sensores com software de integridade dos ativos para o mercado de serviços de eletricidade

As distribuidoras de energia elétrica reconhecem o valor dos sensores e dos dados que eles fornecem para a prestação de um serviço confiável e econômico. Os benefícios dos sensores de monitoramento de condições estão consolidados em termos de ajudar a fornecer os dados necessários para a manutenção proativa, mas muitas distribuidoras de energia não têm esses sistemas instalados em todos os seus equipamentos.

As distribuidoras de energia elétrica podem resolver os problemas de incompatibilidade do sistema de sensores e a falta de programadores qualificados de Internet das Coisas Industrial (IIoT) com uma solução de monitoramento de condições que facilita a integração de diferentes sensores, sem precisar de codificação. A solução pode se conectar a qualquer sistema desejado, como o OSI PI Historian e o OPC UA, para registrar e analisar dados de série temporal de uma variedade de sensores. A união desses sensores com recursos inovadores de software e hardware oferece uma maneira fácil e eficaz de agregar os dados de condições aos ativos importantes para melhorar a consciência situacional e capacitar o suporte à decisão, com o objetivo de manter as operações funcionando, reduzir os custos de manutenção e melhorar a produtividade, a confiabilidade e a segurança.

NECESSIDADES E DESAFIOS ENFRENTADOS PELAS DISTRIBUIDORAS DE ENERGIA ELÉTRICA

As distribuidoras de energia elétrica devem seguir várias exigências de negócios, tais como:

• Melhorar a segurança e a confiabilidade
• Integrar novas fontes de energia e modelos de consumo
• Modernizar a rede de serviços públicos

Elas também enfrentam uma longa lista de desafios:

• Integração com equipamentos herdados
• Aposentadoria de inspetores qualificados
• Acesso a ativos e dados de produção
• Riscos de segurança
• Infraestrutura antiga
• Gestão e proteção dispendiosas de aplicativos e redes de silo proprietárias
• Experiência para gerenciar dados, redes e segurança

Uma das maneiras pelas quais as distribuidoras de energia elétrica podem resolver esses problemas é através do uso de um gateway de borda de IIoT projetado especialmente para ambientes industriais.

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INSPEÇÕES PONTUAIS PERIÓDICAS

Por causa da idade da infraestrutura existente, pode não ser surpresa que um grande número de distribuidoras de energia tenha poucos ou nenhum sensor integrado. As inspeções são realizadas periodicamente, normalmente por equipes internas com sensores portáteis, para manutenção preditiva de rotina. O prazo para essas inspeções pontuais varia, mas pode ser somente uma ou duas vezes por ano.

A segurança é importante para os técnicos que estão fazendo inspeções com dispositivos portáteis. Há poucos técnicos qualificados para essas inspeções e pode ser perigoso entrar em estações de transmissão de alta tensão.

As equipes de inspeção geralmente usam câmeras termográficas portáteis para inspecionar os sistemas. Elas registram os dados durante a inspeção e depois os carregam para transmissão. Assim que os dados forem recebidos e examinados, a equipe gerará um relatório de inspeção no prazo de até uma semana, dependendo do número de sistemas examinados.

As imagens a seguir são exemplos de problemas descobertos durante inspeções pontuais usando câmeras termográficas portáteis:

Fusível queimado (segundo da esquerda) (Ref: Inframation Conference Archives – Infrared Training Center (ITC))

Ventoinha de transformador ruim (AR2) (Ref: Inframation Conference Archives – Infrared Training Center (ITC))

Válvula fechada da lingueta do radiador (Ref: FLIR)

A detecção precoce de falhas durante as inspeções periódicas de rotina resultará em economia de tempo e redução dos custos de manutenção e reparo, especialmente se evitarem tempos de inatividade inesperados. A localização e o reparo de tais problemas melhora a confiabilidade do serviço elétrico.

Os benefícios de custo de identificar e corrigir erros antes que se tornem falhas são ilustrados no exemplo a seguir. A imagem à direita mostra um transformador de tensão com erro dentro de um disjuntor. Se uma câmera termográfica tivesse sido usada para inspecionar o transformador antes da falha, o custo do reparo teria se limitado à substituição do transformador, com um dia de inatividade. No entanto, a falha real resultou no custo de substituição do transformador e do disjuntor, além de custos adicionais de mão de obra e construção do local, com uma interrupção de oito dias. Este caso ilustra que as falhas podem ocorrer e ocorrerão entre os testes programados.

Disjuntor com painéis queimados

Falha no transformador de tensão dentro do disjuntor

Dependendo dos resultados e relatórios das inspeções pontuais, a gravidade dos problemas ou eventos identificados poderá ser categorizada da seguinte forma:

• Crítica — requer atenção imediata com a opção de retirar o equipamento de serviço
• Grave — avalie o mais rápido possível e aumente a frequência de inspeção
• Intermediária — mantenha a frequência existente de inspeções

A verificação pontual periódica com sensores portáteis permite que os problemas se desenvolvam e piorem entre as inspeções. Obviamente, quanto antes um problema for detectado e relatado, mais cedo o trabalho de reparo poderá começar para evitar interrupções não programadas. O aumento da frequência das inspeções periódicas reduzirá a janela de oportunidade para a ocorrência de falhas, mas o potencial para falhas catastróficas ainda existe.

MONITORAMENTO DE CONDIÇÕES

A maneira mais eficaz de reduzir o tempo entre o início de um problema e sua descoberta é instalar sensores fixos que funcionem continuamente. A instalação de câmeras termográficas de monitoramento de condições que funcionam continuamente gera dados sobre temperatura, por exemplo, para serem registrados continuamente, em vez de instantâneos periódicos no tempo. O exame e a revisão dos dados relatados permitiriam que o operador da distribuidora ficasse ciente de problemas e falhas potenciais antes que a próxima inspeção local os revelasse.

O monitoramento de condições oferece várias vantagens em relação às inspeções pontuais periódicas:

• Permite que o operador da distribuidora encontre problemas mais cedo e responda mais rapidamente
• Melhora a consciência situacional e permite que as distribuidoras sejam proativas nos reparos, fazendo a manutenção dos equipamentos antes que uma situação se torne catastrófica
• Permite a manutenção preditiva que preserva a produtividade e a integridade da programação
• Resulta em menos tempo de inatividade e menos quedas de energia
• Economiza dinheiro; custa consideravelmente menos corrigir a maioria dos problemas antes que ocorra uma falha (estima-se que, para os serviços públicos, os custos de reparo sejam somente cerca de 1 a 2% do custo total da falha)

Os sensores da câmera termográfica de monitoramento de condições oferecem vários benefícios:

• Método de medição eficiente e seguro
• Medição de temperatura de área ampla, sem contato, multicomponentes, precisa e altamente segura
• Dados e imagens transmitidos em tempo real, não horas ou dias

No entanto, equipar uma infraestrutura antiga com esses sensores é apenas parte do problema enfrentado pelo setor de distribuidoras de energia elétrica. O acesso e a integração dos dados são um grande desafio. Os sensores devem interagir com o software em uma rede de computadores para extrair e analisar os dados coletados.

Conectar os sensores a sistemas como o OSI PI Historian ou OPC UA permite que a distribuidora tenha acesso aos dados de série temporal que foram registrados. As distribuidoras podem não ter funcionários suficientes com esse conjunto específico de habilidades e, por consequência, precisar contratar consultores técnicos.

A instalação de sensores inteligentes, que interpretam e analisam dados, fornece às distribuidoras de energia dados de monitoramento de condições mais avançados. Os sensores inteligentes permitem que o usuário monitore as condições de dispositivos elétricos, motores ou subestações em todos os momentos. Eles não precisam esperar que os dados sejam interpretados. Os sensores podem acionar um alarme, soar uma sirene ou buzina ou iniciar um processo de desligamento. Esse monitoramento de condições pode capturar, processar e analisar dados e, em seguida, agir sobre eles.

Com uma força de trabalho habilidosa, mas que está se aposentando, as distribuidoras precisam de sistemas como esse para fornecer uma melhor percepção em vez de apenas coletar dados e implementar ainda mais a automação na coleta e processamento de dados para serem mais rentáveis.

Atualmente, os sensores inteligentes representam uma pequena parcela do número total de sensores usados no setor de energia elétrica. Em relação às imagens térmicas, quase todas as câmeras são dispositivos portáteis usados para inspeções pontuais. Apesar das vantagens do monitoramento contínuo das condições, as inspeções pontuais periódicas ainda são a forma mais comum de manutenção preventiva. Elas são relativamente baratas e são o método de inspeção mais econômico para ativos elétricos abaixo de 2,5 kV (Ref: Mission Critical Magazine, 16/04/2021). No entanto, dada a infraestrutura antiga das distribuidoras de energia elétrica e o custo de interrupções não programadas em termos de insatisfação do cliente e penalidades financeiras, isso pode mudar. O uso de sensores de monitoramento de condições em alguns dos equipamentos mais críticos pode fazer mais sentido financeiro.

O impacto do uso do monitoramento de condições, em vez de inspeções pontuais (ou manutenção preventiva baseada no tempo) ou operação até a falha (ou manutenção reativa), é ilustrado na figura a seguir. Com a manutenção preventiva, o objetivo é minimizar as falhas ao manter os equipamentos em boas condições. Evitar falhas reduz custos, mas determinar o intervalo adequado para inspeções pode ser difícil. Com a manutenção reativa, o custo para reparar ou substituir equipamentos pode ser bastante alto, incluindo um possível tempo de interrupção, mas não há frequência de inspeção a ser considerada. O monitoramento de condições gera dados de modo contínuo, permitindo que o operador observe tendências e seja informado imediatamente sobre problemas com o equipamento. Ele reduz os custos e aumenta o tempo de atividade do equipamento (Ref: AIChE, CEP, agosto de 2017).

Impacto do monitoramento de condições nos custos de manutenção e reparo

USO DE SENSORES EM DISTRIBUIDORAS DE ENERGIA

As câmeras termográficas podem detectar diferenças muito pequenas de temperatura ao coletar radiação infravermelha e, então, criar uma imagem eletrônica usando cores diferentes para mostrar essas diferenças de temperatura. Alguns exemplos de imagens térmicas já foram discutidos. Além disso, esses sensores podem ser usados para procurar conexões elétricas soltas ou corroídas, vazamentos de tensão etc. À medida que a resistência se acumula, o calor aumenta e o desgaste acelerado no ponto de conexão pode causar danos ao equipamento. Os sensores infravermelhos podem revelar um isolamento deficiente dentro das estruturas, levando ao desperdício de aquecimento em climas frios e custos extras de CA em climas quentes.

Os sensores de Análise de Gás Dissolvido (DGA) são usados para monitorar a condição operacional de transformadores elétricos examinando contaminantes de óleo por meio de cromatografia gasosa. Os materiais isolantes liberam gases à medida que se decompõem ao longo do tempo, de modo que a composição e a distribuição indiquem o nível e a gravidade da situação. A DGA deve fazer parte de um programa de manutenção preventiva para determinar erros pendentes e evitar falhas em transformadores de energia.

Os sensores de vibração, também chamados de sensores piezoelétricos ou acelerômetros, medem a quantidade e a frequência da vibração em um determinado sistema. Eles procuram mudanças que indiquem condições que possam levar a falhas no maquinário (como rolamentos ou caixas de engrenagens que estão começando a falhar).

Os sensores de corrente (também conhecidos como transformadores de corrente ou TCs) são usados para verificar o fluxo de corrente elétrica em um fio ou sistema, para reconhecer se a corrente está muito alta ou baixa e para acionar sistemas de controle ou alarmes, conforme necessário.

Os sensores de tensão são usados para monitorar ou medir o fornecimento de tensão e calcular o consumo de energia nos circuitos. Eles podem detectar cargas e erros, controlar a demanda de energia e identificar falhas de energia.

Os sensores de erro de aterramento detectam erros de aterramento de baixa magnitude (interrupções no caminho de aterramento de baixa resistência de um sistema elétrico, pelo qual a corrente pode seguir um caminho alternativo, como por meio de um operador humano). Eles protegem as pessoas de ferimentos graves ou morte, ou protegem o equipamento contra danos, acionando um alarme ou desligando o equipamento ao abrir a desconexão do circuito.

Os sensores climáticos, como os sensores de velocidade relativa do ar (anemômetros) e sensores de umidade (higrômetros), também desempenham um papel.

As câmeras de vídeo podem fornecer informações críticas que são carregadas em redes de computadores. Ao apontar uma câmera de vídeo para um determinado ativo, os medidores podem ser lidos remotamente e os interruptores podem ser visualizados para confirmar que estão na posição correta de abertos ou fechados. A segurança dos funcionários é aprimorada ao reduzir a necessidade de acesso físico a instalações remotas e ainda fornecer dados críticos. A detecção de movimento pode registrar danos aos sistemas causados por fatores ambientais. Examinar visualmente um problema antes de chegar a um local remoto permite que uma solução mais preparada seja implementada (Ref: Inframation Conference Archives – Infrared Training Center (ITC)).

Como exemplo, considere o impacto que o clima pode ter nas redes de energia elétrica. Ao usar o monitoramento de condições da rede, os sensores podem fornecer à distribuidora informações suficientes para corrigir proativamente os problemas antes que eles ocorram. Dessa forma, é menos provável que o clima cause problemas e interrupções porque a rede está íntegra. Embora tempestades longas e intensas, como furacões, ainda possam derrubar a infraestrutura, não importa quão forte seja a rede, o monitoramento de condições pode permitir que a distribuidora priorize recursos durante o processo de reparo. Danos às superestruturas da estação de energia devido a tempestades, vento e detritos podem ser obtidos à distância, para proteger os inspetores de possíveis danos.

Por fim, os sensores podem ser usados para proteger a infraestrutura elétrica contra vandalismo. As câmeras termográficas para segurança, as câmeras de segurança visual, os sensores de vibração de cercas, radares e outros sensores de segurança podem ser usados para alertar sobre o acesso não autorizado ao local.

Considere o exemplo a seguir, parte do programa Smart Grid Investment Grant (SGIG) lançado pelo Departamento de Energia dos EUA em 2009 (Ref: DOE, Distribution Automation: Results from the SGIG Program, setembro de 2016). Para três das distribuidoras participantes do programa de concessão que instalaram redes inteligentes, a melhoria percentual no Índice de Frequência Média de Interrupção do Sistema (SAIFI) em relação às linhas de base pré-implantação é mostrada abaixo. O uso de sensores inteligentes reduziu a frequência de interrupção no serviço elétrico.

Melhoria percentual na redução de interrupções de serviço atribuídas a sensores inteligentes

Uma segunda ilustração do mesmo programa SGIG mostra o impacto do uso de interruptores e medidores inteligentes na rede. Após um vendaval, a energia foi restaurada com muito mais rapidez para os clientes afetados devido a essas práticas, conforme mostrado abaixo. A energia foi restaurada quase instantaneamente para aproximadamente metade dos clientes das distribuidoras, pois os interruptores inteligentes transferiram a carga para os circuitos não afetados, permitindo que as equipes se concentrassem nos outros clientes e restabelecessem sua energia com muito mais rapidez.

Horas de interrupção evitadas com a implementação de tecnologia inteligente

COMO CONECTAMOS ESSES SENSORES DE FORMA RÁPIDA E EFICIENTE EM UMA REDE?

Se a distribuidora de energia elétrica ainda não estiver usando sensores inteligentes e monitoramento de condições no local, quais problemas e impedimentos ela está enfrentando? Talvez, apesar de todos os seus vários benefícios, o monitoramento de condições seja muito caro para implementar. Ela pode não ser capaz de justificar os custos adicionais associados à instalação de sensores inteligentes, integrando-os com sensores, software e redes de computadores existentes e treinando operadores com base na tecnologia atual disponível.

No entanto, há novas tecnologias disponíveis que abordam esse cenário. Antes que tal ação seja tomada, é importante que as distribuidoras abordem as seguintes questões:

• Acúmulo de dados — estamos obtendo os dados de que precisamos?
• Processamento de dados — com que frequência e com que rapidez estamos analisando os dados e agindo sobre eles?
• Podemos acumular mais dados para melhorar nosso desempenho geral, eficiência, produtividade, lucratividade, segurança, qualidade e confiabilidade?
• Se precisarmos de mais dados e mais sensores, como podemos obtê-los com facilidade? Para algumas distribuidoras de energia elétrica, as respostas podem ser as seguintes:
• Os sistemas existentes podem coletar dados de muitos tipos diferentes de sensores, traduzir esses dados em um formato que pode ser consumido pelo nosso sistema de gestão de ativos e fornecer feedback aos sistemas de controle de equipamentos locais
• As empresas estão coletando dados de equipamentos em “data lakes”, seja no local ou na nuvem
• Esses dados são analisados por um software avançado, que é utilizado para melhorar o desempenho, reduzir os custos de manutenção e diminuir as despesas de capital

A maior dificuldade que as distribuidoras enfrentam é integrar dados de vários sensores (especialmente aqueles que não são sensores inteligentes) de uma variedade de fornecedores em sua própria plataforma de software.

Vários aspectos precisam ser considerados para conectar esses sensores em uma única rede (Ref: DIANOMIC, Edge 4.0 Features, Function and Business Requirements, 02/08/2021):

• Aquisição universal de dados — as distribuidoras precisam adquirir dados de todos os ativos, independentemente do fabricante, provedor de nuvem ou kits de ferramentas de software, sejam ferramentas existentes ou compras futuras
• Integração universal de dados — elas precisam aceitar, filtrar e processar todos os conjuntos de dados, não importa o formato, para sistemas herdados, atuais e futuros
• Migração de dados e convergência de TI/TO — uma vez que a distribuidora conseguiu adquirir e integrar os dados com êxito, essa etapa foi cumprida, permitindo que a empresa trabalhe com dados de sistemas herdados e novos à medida que os sistemas se modernizam
• Métodos de integração múltipla/de nuvem híbrida/multinuvem — a solução deve ser capaz de funcionar com todos os provedores de nuvem, fornecendo a segurança adequada e permitindo a comunicação entre os provedores

• Integração internuvem — a solução também deve possibilitar uma comunicação rápida e confiável entre provedores de nuvem e entre dispositivos na nuvem e no local
• Vários tipos de dados — a solução deve detectar, processar e integrar diferentes tipos de dados de série temporal, dados de vibração, vídeos, dados radiométricos térmicos e assim por diante
• Ciclos de vida de ML/IA baseados em borda distribuída — a solução deve ser capaz de coletar dados de vários tipos em paralelo e enviá-los para a ferramenta de análise apropriada sem código/código baixo/desenvolvimento de aplicativos de código-fonte — ela deve acomodar os diferentes conjuntos de habilidades entre engenharia, operações, manutenção, TI e gestão, permitindo que todos os níveis possam usar o sistema
• Gestão de escalonamento e dimensionamento — a solução deve gerenciar diferentes aplicativos e configurações de borda, diferentes ativos e fontes de dados, ao mesmo tempo em que fornece controle sobre o sistema
• Sem bloqueios de fornecedores — o código aberto oferece a capacidade de comunicação entre diferentes equipamentos, nuvens e metodologias

UMA SOLUÇÃO ESTÁ DISPONÍVEL HOJE

O FLIR Bridge é um gateway de borda de IIoT que fornece uma solução completa, conectando sensores de terceiros de diferentes fabricantes a uma rede industrial comum, a primeira solução desse tipo no setor. O Bridge executa as seguintes tarefas:

• Coleta
• Transformação
• Informação

O Bridge coleta dados de vários sensores em um único hub. Há outros dispositivos competitivos que oferecem gateways de borda. No entanto, eles só coletam dados de seus próprios sensores. O BRIDGE da FLIR coleta dados das câmeras de sensores inteligentes da FLIR e de outros tipos de sensores e descobre automaticamente esses sensores/câmeras em uma rede compartilhada.

O Bridge transforma os dados do sensor de entrada aplicando ferramentas de análise avançadas para criar alarmes e alertas na borda. As ferramentas de análise incluem um software integrado, bem como código personalizado e modelos personalizados de aprendizado de máquina. Ele fornece uma saída flexível que inclui dados processados, dados brutos ou uma combinação de ambos simultaneamente.

O Bridge informa ao possibilitar a comunicação entre vários sensores e mais de 20 sistemas comuns de monitoramento de ativos industriais, incluindo plataformas de software de monitoramento de condições padrão do setor, como o OSI PI Historian e o OPC UA. Ele oferece roteamento e geração de relatórios de dados flexíveis para otimizar o suporte a decisões, fornecendo dados simultaneamente para vários destinos no local e na nuvem.

O gráfico a seguir ilustra o funcionamento de um gateway de borda de IIoT, coletando dados de câmeras termográficas e outros sensores, transformando-os ao aplicar ferramentas de análise e informando o usuário ao comunicar os resultados a uma variedade de sistemas de monitoramento de ativos.

CONCLUSÃO

As distribuidoras de energia elétrica precisam manter o fluxo de energia. As interrupções no fornecimento de energia causa grandes impactos, tanto em termos de satisfação do cliente quanto em penalidades financeiras. A manutenção de equipamentos de serviços públicos é fundamental, com inspeções e monitoramento desempenhando um papel fundamental. A manutenção proativa resulta em custos de reparo muito mais baratos do que esperar por uma falha inesperada.

As distribuidoras de energia elétrica estão adotando sistemas de monitoramento com sensores de imagem térmica fixos, em vez de realizar inspeções pontuais periódicas com câmeras portáteis. Isso permite que os dados fluam o tempo todo, em vez de analisar um único instantâneo periódico.

As distribuidoras de energia precisam de câmeras termográficas inteligentes e outros sensores para monitorar continuamente vazamentos de tensão, danos causados por tempestades e outros problemas de manutenção. O objetivo é ajudar instalações, estações de energia e subestações a melhorar a eficiência, otimizar o desempenho e evitar falhas inesperadas por meio do monitoramento de condições.

Obter dados confiáveis de uma variedade de tipos de sensores e integrá-los em uma rede com segurança e facilidade, sem a despesa e o tempo da codificação complicada, é fundamental.

Está disponível uma nova tecnologia que pode integrar facilmente dados de qualquer sensor ao sistema de gestão de ativos da distribuidora. Ela processará os dados de sensores inteligentes e os dados brutos de sensores ineficientes, tornando a comunicação possível. Esse gateway de borda otimiza o suporte a decisões ao fornecer dados em tempo real de forma contínua.