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Título: Domain-specific power applications development environment and strategy: a model-driven approach to SCADA/EMS
Título(s) alternativo(s): Ambiente e estratégias específicas do domínio para o desenvolvimento de aplicações de potência: uma abordagem guiada por modelos
Autor(es): Neis, Paulo
Orientador(es): Wehrmeister, Marco Aurélio
Palavras-chave: Engenharia de software
Sistemas de energia elétrica
Usinas hidrelétricas
Sistemas de controle supervisório
Modelos de engenharia
Linguagens de modelagem (Ciência da computação)
Software engineering
Electric power systems
Hydroelectric power plants
Supervisory control systems
Engineering models
Modeling languages (Computer science)
Data do documento: 5-Mai-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: NEIS, Paulo. Ambiente e estratégias específicas do domínio para o desenvolvimento de aplicações de potência: uma abordagem guiada por modelos. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
Resumo: Esta tese propõe uma abordagem de Engenharia Guiada por Modelos para o desenvolvimento de aplicações que compõem uma suíte conhecida como Sistema de Gerenciamento de Energia (EMS). EMS é uma ferramenta essencial para a operação dos sistemas elétricos de potência, incluindo usinas hidrelétricas. Devido às características e complexidade de cada projeto, produtos comerciais “de prateleira” podem não ser capazes de atender a todos os requisitos, demandando o desenvolvimento de customizações, ou mesmo aplicações inteiramente novas para cada fornecimento. A gestão do ciclo de vida de softwares customizados torna-se complexa, particularmente durante atualizações, migrações para novo produto, ou troca de fornecedor. O software EMS faz parte de um sistema ciber-físico, para o qual sofisticados modelos costumam ser construídos durante as fases de planejamento, projeto e operação das instalações. Tais modelos, porém, costumam ser utilizados no processo de desenvolvimento apenas como suporte e documentação, sendo que o código-fonte é considerado o principal artefato do software EMS. A evolução de tais sistemas torna-se dispendiosa e sujeita a erros, requerendo modificações manuais no código-fonte e documentação correspondente. A Engenharia Guiada por Modelos (MDE) é uma abordagem para o projeto de sistemas na qual os modelos são utilizados como artefatos principais no processo de desenvolvimento, enquanto os programas (e outros produtos) são automaticamente gerados a partir destes. Abordagens MDE têm sido adotadas em diversas áreas da indústria, para as quais existem linguagens e ferramentas especializadas que facilitam as atividades de modelagem e transformação automática dos modelos em software executável. Porém, tratando-se de desenvolvimento de software SCADA/EMS, ainda inexiste uma abordagem dedicada. Esta tese propõe o D-SPADES: Ambiente e Estratégias Específicas do Domínio para o Desenvolvimento de Aplicações de Potência, uma abordagem de Engenharia Guiada por Modelos feita sob medida para o domínio de aplicações EMS. D-SPADES dispõe de uma linguagem de modelagem específica para este domínio, baseada em uma notação de diagramas de bloco, associada com estratégias de mapeamento e ferramentas para transformar automaticamente modelos em código fonte de aplicações que podem ser integradas em plataformas SCADA existentes. D-SPADES foi aplicado para modelar e gerar automaticamente o código-fonte de duas aplicações reais na Usina de Itaipu: um controlador automático de volt/var, e um componente para um sistema especial de proteção. O novo controlador de volt/var foi validado criteriosamente utilizando-se um simulador de sistemas de potência, e comparado à uma aplicação existente, que foi desenvolvida utilizando abordagens tradicionais. O desempenho do novo controlador em termos de funcionalidades, uso de recursos e métricas de código fonte foi considerado satisfatório. O sistema especial de proteção, após ser submetido à uma série de testes sistêmicos, tanto reais quanto simulados, foi implantado definitivamente em ambiente de produção, e encontra-se plenamente operacional desde 2022. Desta forma, foi demonstrado que D-SPADES é uma abordagem viável para o desenvolvimento de aplicações SCADA/EMS de missão crítica.
Abstract: This thesis proposes a model-driven approach to develop applications that compose a suite known as Energy Management System (EMS). EMS is an essential tool for the operation of electrical systems, including hydroelectric power plants. Given the characteristics and complexity of each project, commercial “off-the-shelf” products might not fulfill all the requirements, demanding the development of customized versions or even entirely new applications for each customer. Managing the life cycle of such customized software becomes a complicated endeavor, particularly while performing upgrades, or migrating to a different vendor or product line. EMS software constitutes part of a cyber-physical system, for which sophisticated models are often constructed during the planning, designing, and operation of the installations. Such models, however, are usually employed only as support and documentation, while source code ends up being the main EMS software artifact throughout the development process. The evolution of such a system is expensive and error-prone, requiring manual changes to source code and the corresponding documentation. Model-Driven Engineering (MDE) is an approach to system engineering in which models are used as primary artifacts, while programs (and other products) are automatically generated from such models. MDE approaches are applied in several industrial areas, for which specialized languages and tools support the modeling activities and the automatic transformation of such models into executable software. For SCADA/EMS software development, however, a dedicated approach is still absent. Therefore this thesis proposes D-SPADES: the Domain-Specific Power Applications Development Environment and Strategies, a Model-Driven Engineering approach tailored to the EMS domain. D-SPADES relies on a domain-specific modeling language based on block diagram notation, associated with mapping strategies and tools for automatically transforming models into source code for applications that can be integrated into existing SCADA platforms. D-SPADES have been applied to model and automatically generate source code for two real-world applications at the Itaipu Power Plant: a volt/var controller and a component for a system-wide special protection scheme. The new volt/var controller was thoroughly validated using a power system simulator, and compared to a legacy application, developed through traditional approaches. Its performance in terms of functionality, resource usage, and source code metrics is considered satisfactory. The special protection scheme, after successfully passing through a set of simulated and real system tests, was permanently deployed to the production system and is fully operational since 2022. Hence it has been demonstrated that D-SPADES is a viable approach to the development of mission-critical SCADA/EMS applications.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/32046
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