Digitalizando a energia hidrelétrica: desafios e soluções na integração de dados

O primeiro desafio que os operadores hidrelétricos enfrentam ao iniciar um processo de digitalização é a coleta e integração de dados. A necessidade de integração de dados nas operações de usinas hidrelétricas é dupla. Em primeiro lugar, é essencial para obter operações mais seguras, fáceis e automatizadas. Em segundo lugar, a flexibilidade exigida pelos mercados de energia, impulsionada pelos avanços na tecnologia solar e eólica, exige a digitalização de fluxos de dados estáticos e ao vivo. A energia hidrelétrica deve ser capaz de complementar a energia eólica e solar, e isso requer uma transformação digital.

Sistemas tradicionais e a necessidade de digitalização

No cenário de energia renovável, a energia hidrelétrica é certamente a tecnologia mais madura. A era moderna da energia hidrelétrica começou no final do século XIX e desenvolvimentos significativos ocorreram ao longo do século XX. No entanto, a maior parte da infraestrutura hidrelétrica mundial foi construída antes de 2000. Naturalmente, esses sistemas dependem principalmente de hardware analógico, que, embora robusto, apresenta várias limitações no acelerado mercado de energia atual.

Os sistemas analógicos em usinas hidrelétricas normalmente envolvem processos manuais de monitoramento e controle. Os operadores atuam como uma ponte entre as realidades físicas da planta e a infraestrutura digital usada para monitorar o desempenho e fazer ajustes. Essa abordagem pode ser demorada e propensa a erros humanos. Além disso, a falta de dados em tempo real e respostas automatizadas pode prejudicar a capacidade da fábrica de se adaptar rapidamente às mudanças nas condições.

Apesar dessas limitações, a tecnologia analógica não precisa impedir as operações digitais. O objetivo não deve ser modernizar completamente todos os sistemas de uma só vez para fazer o upgrade para o “smarthydro”. Essa abordagem não é a maneira mais sustentável nem a mais rápida de alcançar resultados práticos no mercado. Em vez disso, as operadoras podem adaptar as soluções digitais smarthydro existentes à infraestrutura atual, fazendo apenas investimentos essenciais em hardware que agregam valor às operações diárias.

Embora o processo venha com um conjunto único de desafios, os fatores que impulsionam a integração e digitalização de dados em usinas hidrelétricas são multifacetados:

Maior segurança: A digitalização permite a vigilância 24 horas por dia, 7 dias por semana, dos principais parâmetros de segurança e respostas preventivas e ajustadas automaticamente a riscos como derramamentos, problemas no nível do reservatório e demandas do mercado de energia. Esse monitoramento contínuo aumenta a segurança geral das operações da planta.

Economia de tempo do operador: Os operadores desempenham um papel crucial na garantia de despacho e gerenciamento de riscos ideais. No entanto, em sistemas analógicos, seu tempo geralmente é consumido por verificações e tarefas repetitivas de rotina. A automação dessas tarefas por meio da digitalização pode liberar o tempo dos operadores para operações mais estratégicas, melhorando a eficiência geral.

Necessidades de flexibilidade do mercado elétrico: Os mercados liberalizados de energia estão tendendo a uma maior granularidade, com os mercados europeus mudando recentemente para intervalos de 15 minutos. Essa mudança é necessária para melhorar a estabilidade da rede em um cenário energético cada vez mais dominado pela energia eólica e solar. No entanto, a infraestrutura hidrelétrica tradicional não foi construída para esse nível de flexibilidade e muitas vezes enfrenta restrições ambientais, de arranque e de rampa. A digitalização pode ajudar a encontrar o ponto ideal que protege a fábrica e, ao mesmo tempo, aproveitar os movimentos do mercado.

Transferência de conhecimento entre várias equipes: A digitalização facilita a sincronização e a geração de relatórios mais rápidos e eficientes entre equipes e partes interessadas externas. Ao implementar ferramentas e plataformas digitais, os dados podem ser compartilhados em tempo real, reduzindo o atraso na comunicação e na tomada de decisões. Essa transferência aprimorada de conhecimento garante que todas as equipes estejam na mesma página, aprimorando a colaboração e a coerência operacional. Além disso, as ferramentas de relatórios digitais podem automatizar a geração de relatórios, facilitando o fornecimento de informações precisas e oportunas às partes interessadas externas, como órgãos reguladores e operadores de mercado.

Ao abordar esses fatores, a digitalização pode melhorar significativamente a eficiência operacional, a segurança e a capacidade de resposta do mercado das usinas hidrelétricas, garantindo que elas permaneçam competitivas no cenário energético em evolução.

Este artigo abordará as principais áreas de coleta, agregação, transmissão e uso de dados na automação. Ele explorará os desafios práticos, as oportunidades e as soluções existentes para cada uma dessas áreas, fornecendo uma visão geral abrangente de como a integração de dados pode facilitar a digitalização das operações de usinas hidrelétricas.

Configuração inicial de sistemas de dados integrados

A coleta de dados em usinas hidrelétricas envolve dois tipos principais de dados: dados estáticos e telemetria. A configuração varia de acordo com cada projeto hidrelétrico, mas essas são algumas fontes de dados típicas que você precisará reunir sob o mesmo guarda-chuva digital:

Dados estáticos

Os dados estáticos incluem registros históricos e arquivos digitais. Muitas usinas hidrelétricas têm dados históricos cruciais armazenados em papel, como registros manuscritos, plantas e registros de manutenção. Alguns desses dados podem já estar digitalizados, mas armazenados em sistemas ou formatos diferentes, tornando a integração um desafio.

Telemetria

A telemetria engloba a coleta de dados em tempo real de várias fontes. Isso inclui sensores e instrumentação, como medidores de vazão, sensores de pressão, sensores de temperatura e sensores de vibração, que fornecem dados operacionais contínuos. Os sistemas de Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA) coletam e monitoram esses dados em tempo real, permitindo controle e análise centralizados. Os dispositivos de IoT conectam esses sensores e sistemas para uma transmissão perfeita de dados. Além disso, drones equipados com câmeras e sensores coletam dados visuais e térmicos para inspeção e monitoramento.

Desafios e soluções

A qualidade dos dados inseridos no software smarthydro afeta diretamente a qualidade da otimização em todos os níveis. É por isso que os problemas de precisão de dados devem ser abordados antes ou junto com os desafios de integração de dados para obter os melhores resultados:

Digitalização inicial de sistemas analógicos

Converter dados estáticos armazenados em papel em formatos digitais é um desafio inicial significativo. Esse processo pode ser demorado e trabalhoso, especialmente ao lidar com registros manuscritos e documentação desatualizada. No entanto, é uma etapa crucial no processo de digitalização.

A implementação da tecnologia de reconhecimento óptico de caracteres (OCR) pode ajudar a converter registros impressos e manuscritos em papel em formatos digitais. Esses dados podem então ser armazenados em arquivos digitais centralizados para facilitar o acesso e a integração.

Qualidade dos dados

Problemas de qualidade de dados podem surgir de várias fontes, incluindo mau funcionamento do sensor, interferência ambiental e erro humano durante a entrada de dados. Dados de alta qualidade são essenciais para o monitoramento, controle e otimização eficazes das operações de usinas hidrelétricas.

Outra dimensão da qualidade da coleta de dados é a implementação de um sistema de medição unificado: você medirá o nível do reservatório em relação ao nível do mar (masl) ou em relação ao nível do vertedouro? Independentemente da escolha, ela deve ser implementada em todo o sistema e, de preferência, em toda a frota para obter melhores resultados. O uso de formatos e protocolos de dados padronizados pode simplificar a integração de dados e garantir a compatibilidade entre diferentes sistemas.

Confiabilidade do sensor

Os sensores podem se degradar com o tempo, levando a leituras incorretas. Manutenção e calibração regulares são necessárias para garantir sua confiabilidade. O desempenho inconsistente do sensor pode resultar em dados imprecisos, o que pode comprometer a eficácia dos sistemas automatizados e dos algoritmos de manutenção preditiva. Garantir a confiabilidade do sensor por meio de verificações de rotina e substituições oportunas é vital para manter a integridade dos dados.

A implementação de um cronograma de manutenção e calibração de rotina para sensores e instrumentação pode melhorar a qualidade dos dados e a confiabilidade do sensor.

Ruído ambiental

'O ruído causado pelo vento, pela resolução finita no sensor ou pela imprecisão dos sensores pode afetar as leituras do nível do reservatório, levando a dados imprecisos.

Além desses erros sistemáticos, existem artefatos relacionados à interferência das unidades de controle com os sensores. Um exemplo comum é a proximidade do sensor ao ponto em que a turbina se alimenta. Qualquer alteração na operação da turbina criará uma leitura curva do nível do reservatório, o que reduz a precisão da leitura da telemetria. Na partida da turbina, o nível da água nas proximidades da turbina cairá repentinamente. Por outro lado, quando a turbina é parada, o nível do reservatório aumenta repentinamente. Embora esses valores discrepantes sejam fáceis de prever e reconhecer usando equações de águas rasas (SWEs), eles são apenas uma das muitas maneiras pelas quais a operação da planta interfere nas leituras dos sensores.

Para usar dados de telemetria para o planejamento automatizado de despacho, esse ruído deve ser evitado ou filtrado. A utilização de técnicas automáticas de suavização de dados é uma forma de filtrar o ruído, bem como os problemas de resolução e interrupção dos sensores, garantindo dados mais precisos e confiáveis, que podem então ser inseridos nos algoritmos de otimização.

Veja como a suavização automática pode parecer:

O gráfico superior mostra a alimentação telemétrica direta do nível de um reservatório, com flutuação abrupta, geralmente incluindo feedback negativo de fluxos de superfície livres. No processo de suavização, todas as mudanças de conteúdo registradas no nível da turbina ou do portão (veja o segundo gráfico), bem como a estimativa de perda e ganho de água por meio da umidade, entrada e precipitação do solo, são contabilizados. No último gráfico, você pode ver a curva suavizada do nível do reservatório em roxo escuro, em comparação com os dados muito mais ruidosos do nível do reservatório não filtrados em roxo claro.

Uma vez implementada, a suavização da curva de entrada em segundo plano cria uma base sólida para o planejamento inteligente da produção e operações automatizadas.

Interrupções temporárias

Interrupções temporárias podem interromper o fluxo contínuo de dados de telemetria, causando lacunas na coleta e análise de dados. Essas interrupções podem ser causadas por falhas de energia, problemas de rede ou mau funcionamento do equipamento.

A implementação de sistemas de backup robustos e caminhos de dados redundantes pode ajudar a minimizar o impacto de interrupções temporárias e garantir o fluxo contínuo de dados. A implantação de dispositivos de computação de ponta também pode reduzir a latência ao processar dados mais perto da fonte, permitindo uma tomada de decisão mais rápida.

Integração de dados

Os desafios da integração de dados incluem garantir a compatibilidade entre várias fontes de dados, manter a consistência dos dados e permitir um fluxo de dados contínuo entre os sistemas. A integração efetiva de dados é essencial para criar uma visão abrangente das operações da fábrica e permitir análises e otimização avançadas.

O uso de formatos e protocolos de dados padronizados pode simplificar a integração de dados e garantir a compatibilidade entre diferentes sistemas. A implementação de protocolos de comunicação seguros, como criptografia e autenticação, pode proteger os dados contra ameaças cibernéticas e garantir sua integridade.

Agregação e gerenciamento de dados

A integração de dados envolve a combinação de dados de várias fontes para criar uma visão unificada das operações da fábrica. Esse processo inclui coletar, transformar e carregar dados em um repositório central, onde eles podem ser analisados e usados para a tomada de decisões. A integração efetiva de dados garante que todas as informações relevantes sejam acessíveis, precisas e oportunas, permitindo melhores insights operacionais e otimização.

Desafios e soluções

A armadilha mais comum da digitalização hidrelétrica nesse estágio é a expansão do software.

Expansão de software ocorre quando várias ferramentas de software são adotadas de forma independente por diferentes equipes ou departamentos sem uma estratégia coesa, resultando em funcionalidades sobrepostas, licenças subutilizadas e desafios de integração. Para mitigar a proliferação de software, as operadoras de energia hidrelétrica devem adotar uma abordagem estratégica para a digitalização. Isso envolve selecionar uma plataforma digital unificada que possa integrar várias funcionalidades, agilizar a coleta e a análise de dados e fornecer uma experiência de usuário coesa.

Como se pode determinar se o processo de digitalização é afetado pela expansão do software? Uma plataforma unificada deve ser considerada se um ou mais dos seguintes desafios forem impostos pelas operações:

Aplicativos redundantes: Várias ferramentas de software são usadas por equipes diferentes para tarefas semelhantes, como análise de dados, monitoramento e geração de relatórios, causando confusão e ineficiências. Diferentes softwares são usados para processos interconectados, como planejamento de produção, planejamento de manutenção e comercialização de energia, que poderiam ser gerenciados de forma mais eficiente com uma única ferramenta.

Problemas de integração: os dados são movidos manualmente de um sistema para outro pelos operadores, geralmente exigindo processamento para torná-los compatíveis com outro sistema. Como consequência, as informações críticas não são facilmente acessíveis ou compartilhadas em toda a organização, dificultando a tomada de decisões eficazes.

Aumento dos custos de manutenção: vários aplicativos de software são gerenciados e mantidos em nível de equipe ou central. As atualizações, as licenças e o suporte desses aplicativos são implementados separadamente, aumentando a carga operacional.

Treinamento e usabilidade: É necessário treinamento para operadores e funcionários em cada uma das ferramentas de software antes de executar uma tarefa. Alternar entre software é contra-intuitivo devido às discrepâncias de design, usabilidade e linguagem.

A adoção de uma plataforma digital unificada que integre várias funcionalidades, como coleta de dados, monitoramento, análise e geração de relatórios, pode agilizar as operações e reduzir a dispersão de software. Além desses benefícios, uma plataforma digital unificada pode ser uma ferramenta muito mais poderosa, pois seus algoritmos podem se basear em vários fluxos de dados em toda a organização. Essas soluções podem oferecer um plano de despacho que já contabiliza todas as restrições, trabalhos de manutenção planejados, planejamento de produção de médio e longo prazo, preços de mercado e previsões de entrada. Essa abordagem abrangente garante que todos os aspectos operacionais sejam considerados, levando a um desempenho mais eficiente e otimizado da planta.

Transmissão de dados

Para a maioria dos locais, os processos de planejamento de produção e comercialização foram desenvolvidos e implementados com sucesso décadas atrás, com alterações mínimas ao longo dos anos. O formato de arquivo padrão do setor continua sendo o Excel .xls e o canal de transmissão, especialmente com partes interessadas externas, continua sendo o e-mail. Aqui está um exemplo de fluxo diário de dados em uma usina hidrelétrica, em que cada nó é um operador manipulando dados, adaptando formatos de arquivo e unidades de medida antes de levar as informações adiante.

Desafios e soluções

Embora esse processo legado tenha funcionado bem por décadas, ele expõe as operações da fábrica a dois riscos: um é erro humano e o segundo é reação prematura.

Esse modus operandi impossibilita a negociação em mercados de energia mais dinâmicos devido às ineficiências e atrasos inerentes. A dependência do tratamento manual de dados aumenta o risco de erro humano, o que pode fazer com que dados imprecisos sejam usados para decisões comerciais críticas. Além disso, a dependência do processo da capacidade de resposta de várias partes interessadas significa que qualquer atraso, seja de aprovações internas ou de fornecedores externos, pode resultar na perda de oportunidades comerciais. Em mercados dinâmicos de energia, onde dados em tempo real e tomada de decisão rápida são cruciais, esses atrasos e imprecisões podem impedir que a usina capitalize as flutuações do mercado, prejudicando sua competitividade e lucratividade.

Convergência de TI/OT

A integração da Tecnologia da Informação (TI) e da Tecnologia Operacional (TO), conhecida como convergência TI/TO, está se tornando cada vez mais importante para a transformação digital.

Aqui está um exemplo de integração de dados e transmissão automatizada de TI/TO usando um sistema de gerenciamento eletrônico de documentos (EDM) e um script de API, complementado por uma conexão em nuvem por meio de uma interface de API Rest:

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Nesse caso, o usuário publica séries temporais de energia (atividade bruta) de toda a planta na API RESTfull e, em seguida, coleta automaticamente a energia planejada antes do fechamento da oferta do mercado. Todas as informações são processadas e visualizadas em uma plataforma on-line interativa.

Durante o processo de digitalização, foi criado um modelo duplo digital padronizado da planta unificando os dados estáticos e a telemetria em tempo real. Com base nisso, são criadas tarefas de otimização generalizada em tempo real, visualizações e mecanismos de controle voltados para o usuário. Nessa interface de usuário, os operadores podem enviar substituições, alterar parâmetros operacionais, recuperar a previsão de fluxo de entrada e seu impacto no nível do reservatório e no planejamento da produção.

Os sistemas de transmissão digitalizados também vêm com o valor agregado do automático repositório protocolos e backups, que ajudam os gerentes de ativos a navegar por diferentes versões de seus dados, relatar, solucionar problemas e voltar atrás, se necessário. Nesse caso, os dados históricos também podem ser acessados por meio da interface do usuário, facilitando o acesso e o uso.

Essas novas infraestruturas de processo também vêm com um novo conjunto de desafios, como latência e segurança, que normalmente são abordados usando soluções de hardware e software:

Latência
Os sistemas de monitoramento e controle em tempo real são particularmente sensíveis à latência e podem se beneficiar da integração da computação de ponta. Ao descentralizar o processamento de dados e aproximar a computação da fonte de dados, a computação de ponta minimiza os atrasos na transmissão e melhora a capacidade de resposta do sistema.

Segurança
Os gerentes de ativos de qualquer tipo devem tomar medidas ativas para aumentar a segurança ao implementar plataformas digitais automatizadas de integração de dados. O primeiro passo é avaliar os fornecedores em relação aos padrões de segurança reconhecidos, como ISO 27001 e SOC 2, para garantir que eles sigam as melhores práticas de proteção de dados. Além disso, escolher conexões de API em vez de links diretos pode aumentar a segurança, pois as APIs fornecem uma interface controlada para troca de dados, reduzindo o risco de acesso não autorizado e violações de dados.

Utilização de dados para automação — oportunidades e tendências futuras

Todo o potencial do gerenciamento integrado de dados pode ser alcançado usando tudo isso para agilizar as operações da fábrica de forma interdependente e rompendo os silos entre os departamentos da seguinte forma:

• Gerenciamento de restrições: os dados em tempo real podem ser comparados com regulamentações fixas e flexíveis, bem como com os melhores parâmetros de eficiência para ajustar o fluxo de água no nível do portão e da turbina.
• Planejamento de produção: Um hub de dados central usado para o planejamento da produção pode reunir todas as variáveis, do preço de mercado à eficiência da turbina, previsões de fluxo de entrada, restrições ambientais e interrupções planejadas. Como todos os parâmetros são ponderados para considerar o conflito, um plano de produção ideal pode ser gerado usando IA e algoritmos emergentes de smarthydro.
• Comércio estratégico de energia: A flexibilidade de armazenamento pode ser usada para automatizar o envio com base no preço usando cálculos do valor da água. Além disso, uma vez que todos os fluxos de dados sejam inseridos de forma confiável no mesmo sistema, mercados de energia mais exigentes, como reservas primárias e secundárias, podem ser inseridos e as operações auxiliares podem ser automatizadas.
• Planejamento de médio e longo prazo: Dados de telemetria históricos e diários podem ser usados para prever mudanças climáticas sazonais para sua bacia hidrológica específica, permitindo que você planeje estrategicamente a produção e a manutenção com base nos cálculos do custo de oportunidade.
• Simulação de decisão de investimento: usando a tecnologia digital twin e seus dados, você pode avaliar o investimento em hardware, como turbinas adicionais ou modernização do armazenamento de bombas, diferentes cenários climáticos, diferentes estratégias de produção e muito mais.

O HYDROGRID Insight é uma plataforma digital de operações hidrelétricas que usa dados de usinas hidrelétricas para ajudar os operadores com todos os recursos acima e adicionais.

Conclusão

O gerenciamento integrado de dados oferece vantagens significativas às operadoras de energia hidrelétrica, incluindo maior eficiência, tempos de resposta mais rápidos e maior adaptabilidade ao mercado. As ferramentas digitais permitem automação, melhor tomada de decisões e operações simplificadas sem exigir uma revisão completa do hardware. Em vez disso, atualizações direcionadas e uma integração mais inteligente dos sistemas existentes podem oferecer benefícios substanciais.

Para garantir uma transição suave, recomenda-se o seguinte:

• Objetivos e KPIs: É essencial estabelecer metas claras, como reduzir o erro humano e melhorar os tempos de resposta, ao mesmo tempo em que implementa KPIs para acompanhar o progresso.
• Tecnologia avançada: IA, aprendizado de máquina e IoT devem ser utilizados para otimizar a produção e apoiar o comércio de energia em um mercado dinâmico.
• Gerenciamento de processos e mudanças: As partes interessadas precisam se engajar desde o início para desenvolver e implementar novos processos, garantindo a adoção suave de ferramentas digitais.
• Colaboração: Incentivar o compartilhamento de conhecimento entre equipes e com parceiros externos pode ajudar a impulsionar a implementação bem-sucedida de iniciativas digitais.

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