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Júpiter - Sistema de Gestão Acadêmica da Pró-Reitoria de Graduação


Escola Politécnica
 
Engenharia de Energia e Automação Elétricas
 
Disciplina: PEA3419 - Tópicos de Sistemas Embarcados na Automação de Sistemas Elétricos Modernos
Topics in Embedded Systems for Modern Electric System Automation

Créditos Aula: 2
Créditos Trabalho: 0
Carga Horária Total: 30 h
Tipo: Semestral
Ativação: 01/01/2022 Desativação:

Objetivos
O objetivo desta disciplina é fornecer aos estudantes os conceitos avançados associados aos sistemas eletrônicos e digitais embarcados utilizados na automação, controle, proteção e medição de sistemas elétricos. Através de aulas teóricas e atividades de projeto espera-se que os alunos possam verificar os novos requisitos destes sistemas, além de poder realizar a seleção e a aplicação de componentes modernos e tecnologias de ponta associadas à automação de sistemas elétricos de potência e à automação industrial. A disciplina também oferece subsídios para que os alunos possam criar, desenvolver e empreender novos equipamentos, dispositivos embarcados e serviços para estes setores.
 
This course main objective is to provide students with advanced concepts associated with embedded electronic and digital systems used in the automation, control, protection and measurement of electrical systems. Through theoretical classes and project activities the students will be able to verify new requirements for these systems, in addition to perform the selection and application of modern components and cutting-edge technologies associated with the automation of electrical power systems and industrial automation. . The discipline also offers subsidies so that students can create, develop and do business as new entrepreneurs, with new embedded equipment, devices and services for these sectors.
 
 
Docente(s) Responsável(eis)
466104 - Eduardo Lorenzetti Pellini
742530 - Giovanni Manassero Junior
6919284 - Milana Lima dos Santos
 
Programa Resumido
As aulas dessa disciplina são teóricas e demonstrativas, com a apresentação do contexto moderno relacionado com a temática de automação de sistemas elétricos, seus novos requisitos , equipamentos e tecnologias. Nas aulas são utilizados vários conceitos multidisciplinares para que o aluno tenha contato com novos aspectos relacionados ao projeto moderno desses sistemas, com novos requisitos de entradas e saídas analógicas e digitais para os equipamentos, novos requisitos de capacidade computacional e gerenciamento de recursos em tempo real para os dispositivos inteligentes, e do uso extensivo de redes de dados, informações estruturadas, protocolos e interfaces abertas e padronizadas, como aquelas definidas nas normas IEC 61850, IEC61131 e IEEE 1588. Com tais informações, o futuro engenheiro pode compreender o funcionamento e projetar qualquer dispositivo eletrônico inteligente embarcado, nos mais diversos cenários de redes elétricas e fábricas inteligentes.
 
The classes in this course are theoretical and demonstrative, with the presentation of modern concepts related to automation of electrical systems, concerning its new requirements, equipment and technologies. In the classes, several multidisciplinary concepts are used so the student has contact with more aspects related to the modern design of these systems, with new types of analog and digital inputs and outputs for the equipment, more computational capacity and real time resource management in intelligent devices, and the extensive use of data networks, structured information, protocols and open and standardized interfaces, such as those defined in the IEC 61850, IEC61131 and IEEE 1588 standards. With such information, the future engineer can properly understand the operation and design any embedded intelligent electronic device, in the most diverse scenarios of smart-grids and smart factories.
 
 
Programa
aulas são distribuídas ao longo de todo o semestre, com o apoio de atividades e trabalhos extra-classe, de análise, projeto e simulação. 

Os tópicos abordados são:
Novas estrutura hierárquicas para os sistemas de proteção, automação, controle e supervisão das redes elétricas de potência e sistemas industriais. Modificações dos conceitos para os novos cenários da indústria 4.0: estrutura em pirâmide se torna uma estrutura complexa interligada.
Novos sistemas cyberfísicos de sensores, transdutores, instrumentações, acionamentos e atuadores usados em redes elétricas inteligentes e na indústria 4.0. Uso de redes de comunicação de dados de forma fundamental para o estabelecimento de sistemas de informação em tempo real, de alta disponibilidade e confiabilidade.
Arquitetura e especificação dos novos dispositivos eletrônicos e digitais embarcados de automação, controle e proteção. Particularidades de conectividade, interoperabilidade, dispositivos lógicos, físicos e virtualizados, redundância, responsividade em tempo real, sincronismo de alta precisão. Descentralização de funções e centralização de serviços.
Projeto avançado de um dispositivo eletrônico inteligente. Entradas e saídas virtuais, múltiplos canais de comunicação, fontes redudantes. Sinais de entradas e saídas digitais em coleções de dados, transportadas por mensagens orientadas a eventos.
Novos tipos de entradas e saídas analógicas, eletrônicas e ópticas. Aplicações em campo com transformadores de instrumentação de baixa potência (LPIT). Sinais de grandezas primárias em coleções de dados digitalizados, transportados por streaming de mensagens em barramento de processo.
Teoria da amostragem. Análise dos efeitos do recobrimento espectral em sinais para o sistema elétrico. Novos requisitos para os filtros analógicos em sistemas modernos de alta taxa de amostragem.
Novos sinais em sistemas elétricos de potência: pacotes de dados de uma rede de barramento de estação e de processo. Captura e análise. Geração de pacotes. Sincronismo.
Conversores AD e DA modernos. Questões de atraso e latência do pipeline de processamento digital de sinais. Escalonamento de rotinas com interrupções em microprocessadores. Noções de sistemas operacionais em tempo real, sinalização e sincronização de tarefas e processos.
Aritmética inteira e de ponto flutuante. Sistemas de tempo discreto em aplicações com DSPs. Síntese de sistemas digitais dedicados em alto nível com FPGAs. Otimizações e aproximações para operações transcendentais (seno, coseno, raiz quadrada, rotação CORDIC).
Filtros digitais tipo FIR e IIR. Particularidades de implementação em sistemas digitais. Convergência, estabilidade, precisão e acúmulo de resíduos. Exemplos com sistemas IIR em controladores tipo PI. Aproximação de IIR por FIR.
Algorítimos otimizados para cálculo fasorial, normas e técnicas usadas em qualidade de energia, eletrônica de potência e acionamentos. Algorítimos para tratamento de dados no domínio do tempo. 
Técnicas de teste, depuração, modelagem e simulação de sistemas embarcados destinados aos sistemas elétricos de potência.
 
The classes in this course present various topics in a theoretical, practical and demonstrative way. Classes are distributed throughout the semester, with the support of extra-class activities and homework, for analysis, design and simulation. Topics covered are: New hierarchical structures for protection, automation, control and supervision systems for electric power networks and industrial systems. Concept changes for the new industry 4.0 scenarios: pyramid structure becomes a complex interconnected structure. New cyberphysical systems for sensors, transducers, instrumentations, drives and actuators used in smart grids and industry 4.0. Extreme use of data communication networks for the establishment of real time information systems, with high availability and reliability. New embedded electronic and digital devices architecture and specification for automation, control and protection. Comments about connectivity, interoperability, logical, physical and virtualized devices, redundancy, real-time responsiveness, high-precision timing. Decentralization of functions and centralization of services. Advanced design of intelligent electronic devices. Virtualized inputs and outputs, multiple communication channels, redundant power supplies. Digital inputs and outputs signals collected in datasets, transmited by event-oriented messages. New types of analog, electronic and optical inputs and outputs. Field applications with low power instrumentation transformers (LPIT). Primary quantities signals grouped as digitized datasets, transmited by streaming messages on a process bus. Sampling theory. Effects of spectral aliasing on signals for the electrical system. New requirements for analog filters in modern high sampling rate systems. New signals in electrical power systems: data packets from a station and process bus network. Capture and analysis. Generation of packages. Synchronization. Modern AD and DA converters. Delay and latency issues from the digital signal processing pipeline. Interrupt based routine scheduling in microprocessors. Basic concepts of real-time operating systems, signaling and synchronization of tasks and processes. Integer and floating-point arithmetics. Discrete time systems in applications with DSPs. High level synthesis of dedicated digital systems with FPGAs. Optimizations and approximations for transcendental operations (sine, cosine, square root, CORDIC rotation). FIR and IIR digital filters. Implementation issues in digital systems. Convergence, stability, precision and residual accumulation. Examples with IIR systems on PI type controllers. Approximation of IIR by FIR. Optimized algorithms for phasor calculation, standards and techniques used in power quality, power electronics and drives. Algorithms for data processing in the time domain. Techniques for testing, debugging, modeling and simulation of embedded systems for electrical power systems.
 
 
Avaliação
     
Método
Provas e exercícios.
Critério
Média aritmética ponderada de avaliações, trabalhos e exercícios, cujos pesos são detalhados em cada oferecimento da disciplina.
Norma de Recuperação
Avaliação
 
Bibliografia
     
PELLINI, E. L.; SENGER E. C.; SANTOS, M. L.; MANASSERO JR., G. Notas de aula, exercícios e atividades. São Paulo: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas, 2017.
JARDINI, J. A. Sistemas elétricos de potência: automação. Disponível em: https://social.stoa.usp.br/articles/0015/9029/1997-Jardini-Livro-pp1-294-Sistemas-ElA_tricos-De-PotA_ncia-AutomaA_A_o.pdf. Acesso em: março de 2017.
LEE, E. A., Seshia, S. A., Introduction to Embedded Systems, Second Edition: A Cyber-Physical Systems Approach, The MIT Press, 2nd Edition, 2016.
Vahid, F. Givargis, T. D., Embedded System Design: A Unified Hardware/Software Introduction, Wiley; 2001.
Chen, S., Ghaemi, E., Mazidi, M. A., STM32 Arm Programming for Embedded Systems, MicroDigitalEd, 1ª Edição, 2018.
REBIZANT, W.; SZAFRAN, J.; WISZNIEWSKI. Digital Signal Processing in Power System Protection and Control. Londres: Springer – Verlag, 2011.
OPPENHEIM, A. V., WILLSKY, A. S., NAWAS, S. H., Sinais e Sistemas, São Paulo: Pearson, 2010.
TC57, I. E. C. IEC 61850: Communication networks and systems for power utility automation. International Electrotechnical Commission, 2016.
TC65/SC 65B, I. E. C. IEC 61131: Programmable controllers. International Electrotechnical Commission, 2013.
BLACKBURN, J. L.; DOMIN, T.J. Protective relaying – principles and applications. 4. ed. Boca Raton: CRC press, 2014.
PHADKE, A. G.; THORP, J. S. Computer relaying for power systems. Chichester: John Wilen & Sons Ltd., 2009.
 

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