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norma iec 61850 – novo padrão em automação de - DEE

1. 48 DO sasasgadisdeasgasseddssisdesigdeeddscedsGiaegeisodiegaisdssegeisoddscedsssdeaeieadiecssecsdsgedseddecadadsdegsisctiogsisdedegadsed scaiassdsss acdass 51 CONCLUS O saia aaa ais ana Danas ias 51 REFER NCIAS BIBLIOGRAFICAG s sscssssssssessscessessesssseseestessecescestessesesceseeseesseseseestesteseseesnesueaesseseeass 53 ANEXO i u uu E ua osso ds Da E u u s Su ETE 55 ANEXO B ssscsssasicesssssesessessiecssssoacessensiectssosasessoosdecsestoscessonsiecdsessacessessdecsecssacessesssecsssssacessesssecssessccessesses 57 Lista de Figuras FIGURA 1 DIAGRAMA EXEMPLOS DE PROTOCOLOS DE COMUNICA O 5 FIGURA 2 SAS CONFORME A IEC 61850 c scsssssscssssessssescssssesnessseesessanersaesceseaseseesesneseasens 7 FIGURA 3 PARTES DA NORMA IEC 61850 9 FIGURA 4 INTERVALOS ENTRE MENSAGENS GOOSE 10 FIGURA 5 ESQUEMA DE COMPOSI O DO ARQUIVO 12 FIGURA 6 POSS VEIS REDES UTILIZADAS EM COMUNICAC ES a 13 FIGURA 7 DIAGRAMA UNIFILAR DA SUBESTA O DE M DIO 14 FIGURA 8 CONFIGURA O DA REDE DE 14 FIGURA 9 CONFIGURA O EM ANEL UTILIZANDO IEDS
2. certa unidade A unidade envia mensagens GOOSE para outras unidades simulta neamente Nesse tipo de comunica o a informa o trocada diretamente com os IEDs atrav s da rede da subesta o Os resultados do teste s o exibidos no gr fico da figura 22 Dos 39 casos si mulados 35 obtiveram sucesso Apenas dois casos foram rejeitados mas por ocor 34 3 Interoperabilidade r ncia de erros implementa o Outros dois testes foram rejeitados pela ambigti dade nos documentos padr es Aceita o de 89 7 2 2 EE Total de testes Aceitos Rejeitados Finalizados Figura 22 Resultados dos Testes Mesmo sob uma avalanche de mensagens mais de 100 para um per odo de 50ms os equipamentos continuavam a se comunicar de maneira est vel Vale a pe na ressaltar que para dispositivos n o configurados atrav s da linguagem SCL n o reagiram como os equipamentos configurados 3 6 2 Requisitos Configura es e Estrutura dos Testes de Interoperabilidade O equipamento de teste deve ser capaz de simular as mensagens transmiti das no padr o IEC 61850 Para uma solu o mais realista seria interessante a utili za o dos pr prios equipamentos que ser o usados num SAS para gerar as men sagens necessitando apenas de um analisador de mensagens compat vel com a norma capaz de checar mensagens GOOSE e outras mensagens enviadas pelos IEDs Nesse tipo de teste a refer ncia 4 mostra uma abordagem t pica q
3. o secund ria para o trecho CD Na configura o dos dispositivos de prote o fundamental coor den los de forma que possam operar na condi o do outro n o operar com tempos de opera o diferentes 4 1 4 Rel s N o entraremos nesse ponto em um estudo profundo sobre esses dispositi vos Contudo a prote o de uma Subesta o basicamente controlada por rel s Vimos no cap tulo 2 que devido aos avan os proporcionados pela norma IEC 61850 esses dispositivos tiveram um grande ganho de funcionalidades e se tornaram os 42 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce Dispositivos Eletr nicos Inteligentes IED Dessa forma um rel pode substituir mui tos dos antigos elementos que era utilizados numa subesta o devido essa super posi o de fun es A figura 27 ilustra bem essa evolu o Prote o Supervisao de Rede Transmiss o de Sinais Auto Supervis o Conex es com Redes de Computadores Religamento de Disjuntores Localiza o de Defeitos Identifica o do Tipo de Defeito Obten o de Dados para a Sincroniza o ss Da de Tempo Seq ncia die o de Eventos Oscilografia Figura 27 Exemplos de Aplica o de um IED 4 1 5 Estrutura B sica de uma Subesta o Tr s n veis b sicos regem o funcionamento de uma subesta o automatiza da N vel de Processo N vel de Bay e N vel Esta o Como j vimos no n vel pro
4. UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARA CENTRO DE TECNOLOGIA GRADUA O EM ENGENHARIA ELETRICA NORMA IEC 61850 NOVO PADR O EM AUTOMA O DE SUBESTA ES Ezequiel Mendes de Almeida Fortaleza Maio de 2011 EZEQUIEL MENDES DE ALMEIDA NORMA 61850 NOVO PADR O EM AUTOMA O DE SUBESTA ES Monografia submetida Universidade Fe deral do Cear como parte dos requisitos para obten o da Gradua o em Enge nharia El trica Orientador Prof Jos Almeida do Nasci mento Fortaleza Maio de 2011 iii EZEQUIEL MENDES DE ALMEIDA NORMA IEC 61850 NOVO PADR O AUTOMA O DE SUBESTA ES Esta monografia foi julgada adequada para obten o da gradua o em Engenharia El trica aprovada em sua forma final pelo programa de Gradua o em Engenharia El trica na Universidade Federal do Cear qual WI dy de El wily Ezequiel Mendes de Almeida Banca Examinadora Prof Jos Almeida do Nascimento Dr Orientador 9 24 HS Prof Gabriela Helena Sergio Bauab Dr Fortaleza Junho de 2011 E n o somente isto mas tamb m nos gloriamos nas tribula es sabendo que a tribula o produz paci ncia e a paci ncia a experi ncia e a experi ncia a esperan a Romanos 5 3 4 A Deus sempre Aos meus pais Messias e Estela A minha noiva Nat lia Ao meu fiel irmao e sua esposa A minha igreja e amigos vi ALMEIDA E M NORMA IEC 61850 NO
5. cesso encontram se os equipamentos de trabalho pesado tais como chaves TCs TPs e disjuntores No n vel Bay encontram se o sistema l gico de prote o que en globam os rel s UCP Unidade de Controle e Prote o Unidade de Controle e U nidade de Prote o No n vel esta o mais alto n vel num SAS temos a IHM Inter face Homem M quina UTR Unidade Terminal Remota UTS Unidade de Controle da Subesta o Essa estrutura b sica melhor visualizada na figura 28 43 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce Nivel de Esta o Comunica o Horizontal N vel de Bay ou V o e 36 N vel de Processo Do mi a nr TC TP SG SG SG TC TP Figura 28 Subesta o N veis Hier rquicos Uma vez percebido toda essa complexidade na estrutura de uma subesta o podemos ver que a necessidade de automa o grande Os dispositivos devem in teroperar de forma a garantir a melhor opera o poss vel Esses conhecimentos formam a base da l gica construtiva de uma subesta o Dessa forma entremos de fato no processo de automa o da Subesta o de Nova Olinda Coelce 4 2 A Subesta o de Nova Olinda antiga A antiga subesta o de Nova Olinda apresentava v rios pontos a serem me lhorados tanto na sua organiza o estrutural quanto na sua divis o de n veis A grande quantidade de cabos para as opera es dos rel s dificultavam em muito a o
6. i dona u utiy 6 2 4 JSISTEMA DE 9 25 A LINGUAGEM SCE sims 11 2 67 TOPOLOGIA DE a hu a yah 12 2 7 A NORMA IEC 61850 APLICADA A UMA SUBESTA O DE DISTRIUIGAO 13 2 85 TEND NCIAS u l iha p von boa l Doda aa nba 16 n sau uhaqqa uba Gia Ga pb i E Gu Qiu a asi u uqa s 18 INTEROPERABILIDADE 0 icc scisscccccccecccccsicccsccdbocisccssctessetccvcssstcctsoastceccassieedeassaceveassdeideassdbevessedbevasce 18 3 1 NECESSIDADE DE TESTES DE CONFORMIDADE 18 3 2 DEFINI ES DE TESTE DE SISTEMA 00ssescccccccessseecececsecsssscecececuensessecesecuecunessecesscueeusesseeesseuageneeceees 20 3 3 DE SISTEMA BASEADOS NA IEC 61850 n nn nsn 23 3 4 COMPONENTES DO SISTEMA DE 25 3 5 TESTES u T aare Eie eS ESKARA EEEE Ekiti Ea Liese Fii 27 3 5 2 Testes Funcionais em Aplica es Baseadas na IEC 61850 29 3 5 3 Especifica o de Sistema Teste Baseado na IEC 61850 32 3 6 TESTES FUNCIONAI
7. o parte integrada do sistema nesse novo contexto A grande mudan a que a norma proporciona de fato reside na modelagem dos dispositivos A padroniza o de uma linguagem de programa o orientada a ob 2 1 Introdu o jetos proporciona uma grande possibilidade de opera o com o mesma linguagem de funcionamento Por fim n o basta apenas que os equipamentos obede am ao padr o novo estabelecido A norma tamb m contempla os tipos e modelos de teste necess rios interoperabilidade dos equipamentos e dispositivos da subesta o Os testes s o divididos em n veis que variam desde um nico equipamento at todo o funciona mento do sistema A norma IEC 61850 foi lan ada em 2004 e constantemente vem sendo aper fei oada Mais do que saber suas vantagens precisamos nos impressionar com su as caracter sticas e modo de funcionamento Esse o objetivo dos cap tulos posteri ores 2 Norma IEC 61850 Imagine se numa festa onde os convidados falam em linguas diferentes cada um conforme seu pr prio idioma Ningu m compreende o que o outro diz contudo foram disponibilizados int rpretes para atenuar esse impasse de forma que a co munica o entre os convidados se d somente por interm dio do int rprete A co munica o geral poder causar grandes esfor os para a compreens o comprome tendo a divers o do evento De forma semelhante este constrangimento fez parte de concession rias e fabri
8. 15 FIGURA 10 TOPOLOGIA DE UM SISTEMA UMLL anan ereto 21 FIGURA 11 REPRESENTA O DE UM SISTEMA E SUAS 23 FIGURA 12 SISTEMA COM IMPLEMENTA O TOTAL ssscssssesessseeessestescseeesseseereeeeeenees 24 FIGURA 13 DIAGRAMA DE BLOCO SIMPLIFICADO SISTEMA DE TESTE 25 FIGURA 14 INTERFACE SIMULADOR DE REDE csc csssssssssssscesssesssseeceeesesneseseeeeneas 26 FIGURA 15 FUN ES DISTRIBUIDAS ccccssssescsssssssssescssesssessssescesssceseseecesesesnesseeneseas 26 FIGURA 16 TESTE FUNCIONAL DE IED cccccsssscscsesseseesescssesessesssescessscersseeceseseseeeeseaceneas 28 FIGURA 17 A ESQUEMA DE ENSAIO DE UM REL CONVENCIONAL B TESTE FUNCIONAL DE IED SEGUNDO A IEC 61850 COM MENSAGENS 5 30 FIGURA 18 A CONEX ES PARA TESTE DE UM REL CONVENCIONAL B CONEX ES PARA IED SEGUNDO 61850 nn nanas 30 FIGURA 19 RESULTADOS DE TESTE FUNCIONAL EM IED BASEADO NA IEC 61850 COM MENSAGEM GSS Eisa anirien egett raua a O a EAE sete 31 FIGURA 20 TESTE COM IED MULTIFUNCIONAL E W O cece a 31 FIGURA 21 ARRANJO PARA O TESTE DE MENSAGENS GOOSE ABB AREVA E SIEMENS cf ied vide died be and de Sus i delaras wale au i h Su Sp Pane 34 FIGURA 22 RESULTADOS DOS TESTES 35 FIGURA 23 SISTEMA PARA TESTE DE INTEROPE
9. PN Painel Profibus Process Field Bus QoS Quality of Service RPBC Refinaria Presidente Bernardes de Cubat o RTU Remote Terminal Unit SAS Substation Automation System SCADA Supervisory Control And Data Acquisition SCL Substation Configuration Language SDCD Sistema Digital de Controle Distribuido SE Subesta o SEL Schweitzer Engineering Laboratories SIMPASE Simp sio de Automa o de Sistemas El tricos SNTP Simple Network Time Protocol SV Sampled Values TC Transformador de Corrente TCP IP Transmission Control Protocol Internet Protocol TF Trafo TP Transformador de Potencial tpal Transport Protocol Adaptation Layer UCA Utility Communication Architecture UDP User Datagram Protocol UFPE Universidade Federal de Pernambuco UML Unified Modeling Language USP Universidade de S o Paulo UTE Usina T rmica UTRs Unidades Terminais Remotas VIDVLAN Identifier VLAN Virtual Local Area Network XML eXtensible Markup Language MVA mega volt amp re kV kilovolt Introdu o A tecnologia tem constru do coisas que antes eram inimagin veis Para o con texto de distribui o de energia el trica isso absolutamente uma verdade V rias tecnologias s o agregadas s subesta es de concession rias de energia el trica Cada avan o tecnol gico empregado contudo apresentam caracter sticas e neces sidades peculiares sua aplica o Chame cada componente de ilha de dados Ca da ilha de dados tem seu formato pr prio cujo desenvolve
10. s m Prova que permite conhecer e avaliar as aptid es de um indiv duo ou explorar lhe a personalidade Prova verifica o da efici ncia ou do bom funcionamento de m quinas materiais etc No mundo da automagao o significado mais amplo Nao se restringe a ape nas um equipamento mas a todo o sistema de automa o Em um sentido figurado os testes segundo a norma IEC 61850 se comparam a um cerimonialista que ir checar se os convidados da festa mencionada no cap tulo anterior est o na sua me lhor forma e interagindo devidamente com os outros convidados 3 1 A necessidade de testes de conformidade A evolu o dos sistemas e dispositivos de prote o tem desafiado as equipes de testes de conformidade e manuten o N o mais se avalia apenas a fun o prin cipal de um IED dentro de uma aplica o mas suas in meras fun es auxiliares e principalmente a sua capacidade de comunica o com o restante dos equipamen tos A integra o desses dispositivos nesse novo ambiente de sistema automati zado implica em testes mais complexos e ferramentas mais rebuscadas Os testes de Sistemas de Automa o baseados na norma IEC 61850 devem assegurar a ope 3 Interoperabilidade ra o correta das fun es de prote o controle monitoramento armazenamento e medi o Some a isto que apenas um IED pode possuir todas essas fun es e que h necessidade de perfeito entendimento entre os v rios IEDs em v rios
11. auxiliares dos disjuntores e das entradas pticas dos IEDs e Sa das bin rias dos IEDs e controle Na implementa o total da IEC 61850 al m do Barramento de Esta o h o uso do Barramento de Processo Subesta o IHM Prote o Controle Monitoramento e Registro PCMR pss CD Unidade de Conforma o de Dados Figura 12 Sistema com Implementa o Total A figura 12 mostra que a abrang ncia dos testes de conformidade mudara significativamente conforme se altere as fronteiras do mesmo Nesse tipo de implementa o toda a interface entre os dispositivos baseia se na comunica o Deste modo o uso de cabos de cobre restringe se a alimenta o DC ou AC Transformadores de instrumentos secund rios contatos auxiliares de disjuntores bobinas de trip e equipamentos secund rios 24 3 Interoperabilidade 3 4 Componentes do Sistema de Teste Para tantos requisitos dos testes de conformidade necess rio v rios com ponentes no sistema de teste devem ser considerados para que se avalie tanto fun es individuais como de uma aplica o completa A figura 13 mostra um diagrama de blocos representativo desse sistema Seis componentes do sistema de teste me recem destaque e podem ser identificados no diagrama abaixo IEC 61850 Network Standard System Simulator IEC 61850 IED Standard Test Configuration Simulator IEC 61850 Standard IED Configuration Figura 13 Dia
12. do que uma solu o uma nova proposta tec nol gica que revolucionou os Sistemas de Automatiza o de Subesta es Atrav s do uso de redes LAN Ethernet velozes e confi veis a norma permite uma integra o global entre os diversos equipamentos digitais possibilitando nessa nova con di o o compartilhamento de informa es e tornando mais simples a implanta o de novas fun es de automa o Os Dispositivos Eletr nicos Inteligentes EDs In telligent Eletronic Devices podem agora se comunicarem entre si e compartilhar in forma es de monitoramento N o h necessidade mais de conversores para a co munica o entre IEDs de diferentes fabricantes pois o protocolo de comunica o o padr o Ethernet Essas e outras in meras vantagens s o conseguidas com uma redu o dr stica de cabos interfaces e equipamentos intermedi rios A figura 1 mostra como era a utiliza o dos protocolos antes da norma IEC 61850 Observa se a necessidade de conversores e o uso de uma esta o Gateway para compatibilizar os diversos protocolos utilizados Fun es Esta o centrais Gateway s enorimus 60870 5 _ 60870 5 FIELDBUS 014 N 403 A 528 eee Controle MVB C CAN outros gt Interface Processo Processo Interface Processo Processo Interface Processo Figura 1 Diagrama Exemplos de protocolos de comunica o 2 Norma IEC61850 2 2 As vantagens de evoluir para a I
13. l gico a uni o de todos os n s l gicos sejam eles unidades tecnol gicas ou um grupo de dispositivos desde que operem uma fun o irredut vel dentro do contexto do sistema Dessa forma um sistema comp e se de um grupo de elementos de intera o Portanto cada componente interage com um ou mais elementos formando o todo complexo e caso um elemento n o in teraja com nenhum elemento trivial afirmar que esse n o pertence ao sistema Cada parte do sistema pode ser formada por apenas um elemento como tam b m pode ser composto por v rios equipamentos que operam uma fun o especifi ca Surge ent o uma nova defini o subsistema Um subsistema nada mais do que um conjunto de elementos com uma fun o pr pria dentro do sistema Portanto dependendo da complexidade do sistema ele pode ser constitu do de elementos funcionais simples subsistemas ou ainda os dois juntos Um subsistema pode desenvolver diferentes fun es Uma topologia desse complexo pode ser vista na figura 10 A hierarquia dos blocos mostrados abaixo est formando um diagrama UML no qual apenas para visualiza o orienta o e mos trar como os objetos se comunicam n o necessariamente na ordem em que essas opera es devem ser realizadas Subfun o 1 Subfun o 2 Elemento Funcional Figura 10 Topologia de um sistema UML 21 3 Interoperabilidade Analisando a figura 10 nota se que um sistema constituido de uma ou
14. mais fun es que por sua vez formada de v rias subfun es Cada subfun o pode conter um ou mais elementos funcionais que s o os n s l gicos definidos na norma IEC 61850 Iniciando um teste de cima para baixo iremos analisar todo o complexo num primeiro momento Em seguida refinaremos os testes para alcan ar as subfun es Note que neste tipo de abordagem os testes abrangem o comportamento do sistema como todo e de suas subfun es n o interessando o comportamento dos compo nentes do sistema A refer ncia 6 chama essa abordagem de Caixa Preta Dessa forma estamos atra dos na perspectiva externa do objeto sobre teste sua funciona lidade no subsistema e seus resultados N o nos interessa necessariamente a for ma como opera e suas respostas aos testes de conformidade desde que apresen tem respostas aceit veis aos testes de sistema Na abordagem de baixo para cima os elementos funcionais s o primeiramen te testados Na sequ ncia os mesmos s o agrupados em suas respectivas subfun es que por sua vez est o ligados em fun es maiores Segue se dessa forma at que todo o sistema seja testado Esse tipo indicado para testar a aceita o de um sistema de automa o numa f brica O sistema de teste dever ter registrado as entradas e as sa das desejadas O programado do teste dever ser capaz de introduzir entradas v lidas e inv lidas e avaliar a resposta do sistema para ambos A partir da comp
15. ntica possui faixa de tempo inferior a 100us hth ul um da aA a do F 530 585 590 595 600 6 05 6 10 Figura 19 Resultados de teste funcional em IED baseado na IEC 61850 com mensagem GSSE Para testes funcionais em IED multifuncional com unidades de medida I O as conex es de teste s o feitas conformes indicados na figura 20 Ethernet Equipamento de Teste baseado IEC61850 Figura 20 Teste com IED Multifuncional e I O 31 3 Interoperabilidade De uma forma geral podemos sintetizar a opera o desse sistema Os sinais anal gicos das unidades de medida do dispositivo TCs TPs s o conectados ao equipamento de conforma o de dados MU O IED testado enviar uma mensa gem GSSE para a Unidade I O que por sua vez ir operar um rel de sa da O equi pamento de teste avalia ent o os sinais emitidos assim como a atua o do dispositi vo O IED envia uma mensagem GSSE para o dispositivo de Entrada e Sa da quando opera O dispositivo de entrada e sa da quem controla a interface entre o IED e o processo para o rel de sa da que por exemplo pode operar o sinal de trip de um disjuntor O equipamento de teste avalia tanto a mensagem GSSE enviado pelo equipamento testado como a sa da bin ria do dispositivo I O A diferen a de tempo entre esses pontos usada para calcular o tempo necess rio para o envio de uma mensagem GSSE sobre a rede processada na unidade de interfac
16. pode ser til Um modelo de in terface de contiguracag da Ferramenta de Simula o pode ser vista na figura 14 6 Bi Jo Fe ures Semen CE Sesewe Pasa Faa So Sioro fat Fake intii Si tas tat doses VAN p ER td ileal YY Hit WWW MI l d 2 ows opo bis ood fn os PEN r a 2 1 4 au 1442 au Figura 14 Interface Simulador de Rede om O Simulador de da Unidade Virtual de Conforma o de Dados executa combina o dos dados de corrente e tens o oriunda de conversores secund rios Esse simulador lan a na rede Ethernet os valores amostrados medidos conforme a norma Essa ferramenta comumente chamada de MU Do ingl s Mergin Unit Figura 15 Fun es Distribu das A figura 15 mostra a MU como parte separada do painel Dessa forma ela faz a conforma o dos dados medidos 26 3 Interoperabilidade O simulador virtual de IED tem a capacidade de representar o dispositivo fal tante na ocasi o de teste Ele emite mensagens GOOSE equivalente para os dispo sitivos sob teste que as utilizariam com entrada para determinar o seu comportamen to A Ferramenta de Avalia o de Teste avalia o desempenho dos elementos tes tados baseada nos valores anal gicos amostrados Para isso preciso que essa ferramenta tenha v rios m dulos esp
17. A Figura 25 mostra o esquema de um sistema el trico que ilustra bem estas defini es Legenda Prote o de Geradores Prote o de Transformadores Subesta o C Prote o de Linhas de Transmiss o 1 2 3 Prote o de Barramentos 4 5 Prote o de Motores Subesta o A Subesta o B Subesta o D Figura 25 Sistema de Prote o e suas Zonas de Prote o 41 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce 4 1 3 Prote o Primaria e Prote o Secund ria A prote o prim ria a prote o destinada a uma determinada se o que es t h bil para interpretar e seccionar do sistema rapidamente em uma situa o de dist rbio A figura 26 mostra um sistema com diversas prote es Observe que cada trecho possui sua prote o principal 51 504 SOB 50C Figura 26 Esquema de Prote o Caso a prote o prim ria falhe a prote o secund ria que est num n vel hi erarquico superior dever atuar em seu lugar dai seu nome secund ria Na reali dade esse tipo de prote o uma prote o prim ria de outro trecho que pela topo logia do sistema cobre o trecho da respectiva prote o prim ria Por exemplo ob serve o trecho CD na figura 26 Caso ocorra uma falta nesse trecho e o disjuntor em C falhe o disjuntor em B ir atuar contudo o trecho BC o trecho destinado pro te o desse disjuntor Por isso afirmamos que o disjuntor B a prote
18. EC 61850 Integra o do Sitema Considere como primeira grande vantagem a universaliza o do protocolo de comunica o entre os IEDs Como consequ ncia direta a redu o consider vel da quantidade de cabos e pontos de entradas e sa das dos equipamentos digitais As m ltiplas informa es sobre o processo e sistema est o agora compartilhadas entre os diversos equipamentos e subsistemas Como as informa es s o compartilhadas os rel s de prote o prim ria se cund ria e compartilhadas podem ficar respons veis por medir e enviar as informa es anal gicas do sistema Analogamente tem se a transmiss o em tempo real do estado de chaves seccionadoras e disjuntores para o sistema de controle e supervi s o J n o h necessidade de termos v rios multimedidores para a transdu o dos dados do sistema A norma torna esses instrumentos obsoletos uma vez que os pr prios IEDs de prote o fazem transdu o digital da corrente e tens o de cada fa se desde que as informa es de tens o e corrente adquiridas pelo rel possam ser utilizadas com medi o identificada Para isso claro ser necess rio que os Transformadores de Corrente TC s possuam precis o toler vel 2 3 IEC 61850 A norma Sem d vidas pode se assegurar que a palavra chave da norma a Interope rabilidade Dispositivos diversos mesmos de diferentes fabricantes podem se co municar claramente de forma r pida e precisa sem a necessidade de in
19. Numa mesma instala o conceb vel ter se um sistema misto onde ao mesmo tempo exista uma combina o de cabeamento usual juntamente com mensagens GOOSE com sinaliza es de estado do sistema A figura 16 mostrou um esquema parcial para um IED baseado na IEC 61850 A fi gura 17 abaixo mostra o esquema de ensaio convencional comparado ao de um rel baseado na norma 29 3 Interoperabilidade Figura 17 a Esquema de ensaio de um rel convencional b Teste funcional de IED segundo a IEC 61850 com mensagens GSSE Todos os equipamentos devem ser conectados a rede Os mesmos utilizam mensagens GOOSE ou GSSE O equipamento de teste deve ser capaz de enviar e receber mensagens GSSE interagindo com o DUT Pode se citar como exemplo a indica o dos contatos auxiliares dos disjuntores O numero de conex es outra di feren a consider vel e mostrada na figura 18 Go 3 4 0 pam apa DADO VODA DO E 0 Figura 18 para teste de um rel convencional b IED segundo IEC 61850 A refer ncia 5 mostra um comparativo de formas de onda simuladas em um teste funcional com o registro da opera o das sa das de um rel e as mensagens de comunica o que pode ser visto na figura 19 Atrav s do registro da sa da de trip 30 3 Interoperabilidade em HWT do rel vemos que a saida de trip baseada em mensagem GSSE de forma id
20. ONEXOES BARRAMENTO DO 2 DO BARRAMENTO PROCESSO Figura 3 Partes da norma IEC 61850 2 4 Sistema de Comunica o A norma indica sete n veis de mensagens sendo divididas segundo sua or dem de importancia para o sistema Desta forma mensagens urgentes como o sinal de trip de abertura de um disjuntor tem maior banda dispon vel para a transdu o do sinal Por outro lado informa es menos urgentes como transfer ncia de arqui vos necessitam de menor velocidade e urg ncia Esses sete n veis s o agrupados em tr s velocidades a saber e Alta Velocidade Trip e controles e M dia Velocidade Informa es de medidas estados e comandos e Baixa Velocidade Par metros eventos e transfer ncia de arquivos 2 Norma IEC61850 As mensagens de alta velocidade s o chamadas GSE Generic Substation Events que por sua vez classificada em GOOSE Generic Object Oriented Subs tation Event ou GSSE Generic Substation Status Event Nas mensagens GOOSE utilizado um data set Grupo de dados e sua informa o configur vel enquanto em mensagens GSSE somente suportado uma estrutura fixa de informa es de estado publicada e disponibilizada na rede As mensagens de alta velocidade ou ainda as mensagens GSE podem ser enviadas a um m ltiplos ou todos unicast multicast e broadcast respectivamente os IEDs que podem utilizar tais informa es ou n o segundo sua necessidade modo Editor Assinante Uma grande vantage
21. RABILIDADE ENTRE V RIOS IEDS 37 FIGURA 24 ELOS PARA EFICI NCIA DO SISTEMA DE PROTE O 41 FIGURA 25 SISTEMA DE PROTE O E SUAS ZONAS DE PROTE O 41 FIGURA 26 ESQUEMA DE PROTE O wiececscssscscsssccssecsstececsnssetcosdssecscsneascseaceuseesausesucsssnsesee 42 FIGURA 27 FIGURA 28 FIGURA 29 FIGURA 30 FIGURA 31 FIGURA 32 FIGURA 33 FIGURA 34 EXEMPLOS DE APLICA O DE UM IED scssescsssesesssesteseesecseestesecseeseeseeseases 43 SUBESTA O N VEIS HIER RQUICOS l aaa aa 44 LIGA O DOS REL S AREVA AO SWITCH 45 LIGA O DA REDE DE COMUNICA O EM 46 SISTEMA DE LIGA O SE NOVA 47 ANTIGOS PAIN IS DE CONTROLE DA SUBESTA O 49 EXEMPLO DE TRANSFER NCIA DE CARGA SE N O AUTOMATIZADA 50 EXEMPLO DE TRANSFERENCIA DE CARGA SE AUTOMATIZADA 50 xii LISTA DE TABELAS TABELA 1 MOTIVOS DE DIST RBIO DO SISTEMA 40 xili Lista de Abreviaturas ANSI American National Standards Institute ARP Address Resolution Protocol BRK IED Breaker CAN Controller Area Network CIM Computer Integrated Manufacturing CO Connection Oriented CPU Cent
22. S E DE INTEROPERABILIDADE 33 3 6 1 Hist ricos e Primeiros Testes n 33 3 6 2 Requisitos Configura es e Estrutura dos Testes de Interoperabilidade 35 3 7 TESTES DE DESEMPENHO DO SISTEMA DE COMUNICA AQO a a 37 a G gS G ia l G au G aG l G u Y uyu sss ss 39 APLICA O 39 SUBESTA O NOVA OLINDA COELCE 39 4d MOTIVACAQX ae DS n Suha aa Rd a dr E 39 4 2 SUBESTA O DE NOVA OLINDA ANTIGA ssscecccecessesseeecececeenesesceceseaeeneneecececeauesseeceeeceaueneseeceeeaeegs 44 4 3 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ce cuaetechestvandechasduchesacdechevactuchabaseacechaadachesaeded eceensaznce 44 4 4 TOPOLOGIA DA REDE DE COMUNICA ES sssscecececeensseetecececeeneseccecececeessecceceseauensnceceeeceaueneeeeeeeeeeegs 45 4 5 TESTES E COMISSIONAMENTO ssssesessccecscsesssessesecscsesssessececeseesneasseseceseesneasaesecscessnsasaeseesseseneananss 47 4 5 1 EQUIP sua a E O E 47 4 5 2 Testes de Interoperabilidade e Comunica o 48 4 5 3 EXECU O 48 4 6 VANTAGENS E MELHORIAS
23. VO PADR O EM AUTOMA O DE SUBESTA ES Universidade Federal do Cear UFC 2011 58 Este trabalho visa esclarecer as caracteristicas requisitos e vantagens da norma IEC 61850 A norma apresentada de uma forma geral com descri o de su as partes O sistema de comunica o ser tratado em t pico dedicado com tipos e detalhes das poss veis topologias Um cap tulo especial abordar a principal caracte r stica da norma que a interoperabilidade Os testes de conformidades testes do sistema de comunica o e testes funcionais s o tamb m descritos e analisados com alguns exemplos Por fim uma an lise do processo de automatiza o de Nova Olin da apresentado observando as melhorias realizadas do ponto de vista da norma Palavras Chave IEC 61850 Automa o de Subesta o Interoperabilidade Comunica o entre IEDs vii ALMEIDA E M STANDARD IEC 61850 NEW STANDARD IN SUBSTATION AUTOMATION Universidade Federal do Ceara UFC 2011 68p This paper aims to clarify the characteristics advantages and requirements of IEC 61850 IEC 61850 is presented with a general description of su parties The communication system will be treated in dedicated topic with details and types of possible topologies A special chapter will address the main feature of which is the standard interoperability Conformance tests testing the communication system and functional tests are also described and analyzed with
24. a de Mapesmento Aralisador de Mensagens GOOSE oar 1EC61850 ee ty Figura 23 Sistema para teste de Interoperabilidade entre varios IEDs Apesar de todos os testes e padr es definidos n o deve ser descartado a possibilidade de diferen as entre IEDs que apresentar o erros nos testes Os testes de interoperabilidade s o feitas em laborat rio e o diagn stico do erro muito supe rior quando comparado a uma situa o pr tica em campo A superposi o de defei tos em campo pode dificultar em muito a localiza o e reparo do defeito 3 7 Testes de Desempenho do Sistema de Comunica o Uma das consequ ncias da padroniza o IEC 61850 para sistemas de auto ma o de subesta es foi a integra o do sistema de comunica o como parte cha ve do complexo de um SAS essencial que o sistema de comunica o esteja em perfeito funcionamento para a comunica o dos dispositivos Portanto o sistema de comunica o tamb m deve ser testado em diversos cen rios de funcionamento com o objetivo de definir suas condi es de opera o Durante os testes de desempenho os tempos m ximos de opera es de fun es s o observados O tempo em que as mensagens GOOSE tamb m s o testa das e s o muito importantes no desempenho do sistema Assim como outros m todos de ensaio as situa es mais desfavor veis de vem ser ensaiadas o que alguns especialistas chamam de avalanche de informa 37 3 Interoperabil
25. a de equipamentos para acompanhar tal evolu o Altera es no projeto podem ser facilmente implementadas com simples modifica es no software Descri o da Configura o da Sistema SSD ICD SW do IED 3 3 Configura o SW do IED 1 Configura o 1 SE 3 Ferramenta de Rede Ethernet com IEC61850 Eh ao 2 ICD Descri o da Configura o do IED IcD 2 Descri o da Configura o da Subesta o SW do IED 2 gt Z Configura o Figura 5 Esquema de composi o do arquivo SCD 2 6 Topologia de Comunica o A Topologia de Comunica o um crit rio t o importante quanto as escolhas dos IEDs pois uma escolha inadequada gerar erros de comunica o Nesse caso n o importa o qu o eficiente seja um IED pois ele se comunicar de forma ineficien te Dessa forma a topologia deve se escolhida de acordo com o grau de fidelidade desejado funcionalidades requeridas taxas de falhas e custo de equipamentos A plica o e Comunica o s o fun es separadas mas completamente dependentes para o sucesso do funcionamento do sistema de automa o 12 2 Norma IEC61850 As principais topologias utilizadas s o barramento simples barramento duplo anel simples e anel duplo todos mostrados na figura 6 BARRAMENTO BARRAMENTO ANEL ANEL DUPLO DUPLO oS COICO CICI Cl JE Figura 6 Poss v
26. ade da LAN tais como switches roteadores e gateways Um SAS com fun es distribu das e v rios IEDs instalados apresentam uma grande complexidade no seu funcionamento Desse modo deve se come ar o teste aos poucos no modo mais simples e aumentando gradativamente seu grau de com plexidade Em outras palavras pode se simular inicialmente uma falta entre apenas dois dispositivos e analisar as mensagens trocadas entre eles tanto verticais como horizontais Cada uma das fun es distribu das deve ser testada em v rios cen rios com os erros mais prov veis de acontecerem em campo A fun o de oscilografia dos IEDs uma ferramenta muito valiosa e deve ser ativada logo no inicio dos en saios para o aux lio na an lise de tempo de opera o de cada um dos rel s Vale ressaltar que equipamentos n o presentes na ocasi o do teste devem ser simulados por uma ferramenta computacional equivalente O sistema completo para o teste de interoperabilidade entre v rios IEDs pode ser visto na figura 23 O equipamento de GPS embora n o seja mostrada na figura tamb m parte do conjunto 36 3 Interoperabilidade Ferramenta de Ferramenta de ru IHM Coptura e Mapea mento Mapea mento Armazem mento Simulador de Fl Analisador de SD Visunliza o dos Mensagens GOOSE Mensagens GOOSE dados de teste E 1EC61850 ee 1EC61850 2 Link Ethernet LAN 5 DUT 6 ours Ferrament
27. alhados sobre o sistema em teste Para a moni tora o o dispositivo utiliza os valores medidos pela MU testada mensagens GOOSE de um IED testado ou relat rios de forma de onda Encerrando os componentes do sistema de teste temos por fim a Ferramen ta de Registro ou Relat rio Tem por fun o gerar o relat rio de teste baseado no formato escolhido pelo usu rio e nas sa das das ferramentas de avalia o 3 5 Testes de Conformidade 3 5 1 Sobre o Teste O objetivo deste tipo de teste verificar se o dispositivo sob teste Device Un der Test DUT compat vel com os requisitos estabelecidos pela norma IEC 61850 Esses testes s o de responsabilidade do fabricante e devem ser realizados por uma organiza o independente O certificado de homologa o fornecido jun tamente com o IED Os requisitos para os testes de conformidade a serem realiza dos num IED encontram se na parte 10 da IEC 61850 Na figura 16 vemos um esquema simples de implementa o parcial das solu es com as comunica es baseadas na norma O conjunto de teste mostrado constitu do de um equipamento de teste baseado na IEC 61850 rede Ethernet e um computador com as ferramentas necess rias 27 3 Interoperabilidade Figura 16 Teste funcional de IED Tanto comunica es verticais como horizontais devem ser testadas No caso de informa es operacionais e de configura o SCADA as mensagens s o transfe ridas no modo clie
28. alvador Bahia Moreira V M Avalia o Do Desempenho Da Comunica o De Dados Ba seada Na IEC 61850 Aplicada A Refinarias De Petr leo Recife Fevereiro de 2009 Monografia Universidade Federal de Pernambuco 8 Pereira A C A Import ncia dos Testes Funcionais e de Interoperabilidade para a Integra o de Sistemas de Prote o e Automa o Utilizando a Norma IEC61850 In IX Seminario T cnico de Prote o e Controle 2008 Belo Horizon te Minas Gerais 9 Paulino M E C Liberdade De Configura o Com Fun es Distribu das Atrav s Da Decomposi o Funcional Estabelecida Pela Norma IEC 61850 In XIII Encuentro Regional Iberoamericano de Cigr 2009 Puerto Iguazu Argenti na 10 IEC IEC 61850 Communication Network nd Systems in Substations www iec ch 54 ANEXO A FOTOS ANTIGA SUBESTA O DE NOVA OLINDA NAO AUTOMATIZADA 56 ANEXO B FOTOS NOVOS EQUIPAMENTOS PARA AUTOMATIZA O DA SUBESTA O DE NOVA OLINDA RE A a Oo Tr DAE entes cI T01M1 Up minas 58
29. amento de carga Quando um disjuntor precisa ser desligado seja para manuten o ou por problemas t cnicos a carga pode ser ligada energia por bypass ou ser ligada a um disjuntor auxiliar ou secund rio para que a linha n o fique sem prote o No caso da figura 33 o rel diretamente ligado unidade de transfer ncia Se o disjuntor principal precisar ser desligado a unidade de transfer ncia aciona o disjuntor auxiliar como ativo Existe o cabeamento r gido de cobre entre o rel e a Chave de Transfer ncia e da mesma aos disjuntores Essa configura o era usada na subesta o n o auto matizada Disjuntor Disjuntor Principal Auxiliar Unidade de Transfer ncia Figura 33 Exemplo de Transfer ncia de carga SE N o automatizada Em caso de transfer ncia o rel pode mandar uma mensagem GOOSE atra v s da rede UAC e esta se encarrega do disjuntor A quantidade e tamanho dos cabos diminuem bastante Esse esquema visto na figura 34 Disjuntor Disjuntor Principal Auxiliar CAD Figura 34 Exemplo de Transfer ncia de carga SE automatizada 50 5 Conclusao A norma IEC 61850 por si s traduz o seu principal atributo a interoperabili dade Essa a id ia chave que possibilita toda essa evolu o no mbito da automa o relacionada a sistemas de distribui o A capacidade de cada dispositivo em comunicar se com cada elemento do sistema permite uma confiabilidade eleva
30. ara o das respostas com a matriz de valores inicial dever ser considerada a aprova o do equipamento ou sistema Existem tr s n veis de teste que caracterizam essa abordagem tanto de baixo para cima como tamb m o seu inverso Definindo cada um deles temos e Teste de Conformidade ou de elementos funcionais utilizado para as menores unidades do sistema Verifica se o elemento testado possui as respostas esperadas em diferentes condi es de opera o e Teste de integra o ou interoperabilidade detecta poss veis problemas de interoperabilidade entre elementos funcionais ou subfun es inte gradas em fun es ou sistemas Faz uma verifica o no fluxo de in forma es entre os diferentes IEDs integrados ao sistema 22 3 Interoperabilidade e Teste de Desempenho do Sistema de Comunica o sob uma tica ex terna verifica o desempenho do sistema e sua funcionalidade Entendido essas defini es podemos melhor analisar o teste de cima para baixo O teste come a por observar o desempenho do sistema sem se interessar pelos detalhes de qualquer parte dele Esse processo ocorre por n veis sendo pro cessadas avalia es sobre fun es subfun es e por fim os elementos funcionais onde executamos o teste de elementos funcionais A figura 11 mostra um sistema com suas Fun es F Sub Fun es SF e Elementos Funcionais FE Configura o Ajustes Controle do Sistema Entradas Saidas Relat ri
31. cantes de equipamentos de automa o de subesta es antes da padroniza o da norma IEC61850 2 1 Vis o Geral sobre a Norma IEC 61850 As muitas vantagens da tecnologia moderna t m incentivado as empresas a modernizarem seus sistemas de prote o e automa o de suas instala es el tri cas principalmente as concession rias de energia el trica respons veis pela distri bui o Por esta raz o anseiam por capacitar suas instala es com fun es de au toma o que facilitem suas manobras opera o e manuten o Contudo medida que esses sistemas se tornam mais complexos a intui o e experi ncia humana tornam se ineficazes para consolidar de forma r pida e preci sa a modelagem e atua o dos mesmos Portanto deve se juntar a autonomia de decis es e controle humano ao poder de processamento de equipamentos tecnol gicos 2 Norma IEC61850 H algum tempo os sistemas tradicionais SCADA tem tentado configurar es se cen rio Contudo esses sistemas possuem limita es e dificuldades extremas quando nos referimos expans o Grandes quantidades de cabos rel s auxiliares rel s de bloqueio necessidade de conversores s o alguns dos problemas desse sis tema Al m de tirar a confiabilidade do sistema essas condi es aumentavam con sideravelmente os custos de expans o destas instala es De uma forma bem direta dizer que a norma IEC 61850 resolve esse proble ma inadequado Ela muito mais
32. cia e a seguran a de entrega das mensagens O tempo de comunica o em geral fica em torno de 4ms Detalhes adicionais sobre os sistemas de comunica o ser o discutidas um pouco mais a frente A refer ncia 1 tamb m traz importantes informa es a esse respeito A norma IEC 61850 muito extensa pois na realidade um manual de montagem e instala o de todos os padr es e protocolos necess rios para o seu correto funcionamento T picos de requisitos gerais requisitos de comunica o lin guagem de configura o modelo de comunica o dentre outros comp em suas dez partes A refer ncia 7 mostra a estrutura dessas divis es que pode ser vista na fi gura 3 2 Norma IEC61850 PARTE 1 INTRODU O E VIS O GERAL INFORMA ES E PARTE 2 GLOSS RIO COMPREENS O PARTE 3 REQUISITOS GERAIS ADMINISTRA O DO PROJETO E IMPACTO EM OFERTAS E PARTE 4 SISTEMAS CONDU O DE PROJETO C OU C OPADRAO 5 PARTE 5 REQUISITOS DE COMUNICA O O PADRAO DE SUBESTAC ES SCL __ IMPACTO NA ENGENHARIA PARTE 6 SUBESTACOES SCL IMPACTO NA ENGENHARIA MODELO DE COMUNICACAO FORMATO DE DADOS E PARTE 7 SERVI OS A PARTE PRINCIPAL MAPEAMENTO DO PARTE 8 MAPEAMENTO PARA MMS TCP IP BARRAMENTO DA 1 ETHERNET SUBESTACAO x PARA MAPEAMENTOS FUTUROS RESERVADO PARA FUTURO PARTE 9 MAPEAMENTO PARA CONEX ES EXECU O DOS MODELOS 1 PONTO A PONTO PARA ETHERNET _ MAPEAMENTO DO PARTE9 MAPEAMENTO PARA C
33. conformidade para garantir o bom funcionamento do sistema e identifi car poss veis erros de implementa o que possam ocorrer 4 5 1 Equipe Os testes s o feitos por uma equipe especializada da pr pria Schneider para a implementa o em campo do sistema de automa o Os pain is s o montados em Curitiba e os testes de conformidade s o feitos pela pr pria empresa fornecedora Ao chegar na subesta o de Nova Olinda a equipe prepara seus equipamen tos para os testes dos pain is em campo O Departamento de Manuten o das Pro te es da Coelce DMAP juntamente Synapsis comissionam os testes Schnei der que por sua vez cumprir um padr o de avalia o do desempenho do novo e quipamento em campo 47 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce 4 5 2 Testes de Interoperabilidade e Comunica o Os testes nesse contexto diferem um pouco dos apresentados no cap tulo 3 Um equipamento de teste deveria avaliar o comportamento dos IEDs as mensagens GOOSE enviadas e recebidas e as opera es do dispositivo Nesse cen rio de tes tes em campo o modo diferente Os rel s j se encontram dispostos nos arm rios e todo o sistema est pronto e previamente testado para ser colocado em campo pela Schneider Desse modo o teste ser verificando o funcionamento do sistema na pr tica Portanto utilizando uma mala de teste que pode enviar corrente e tens o para os rel s faz se os v rios cen rios de teste
34. da com maior velocidade e menor custo de implanta o devido redu o dr stica de equipamentos necess rios para o sincronismo Os rel s evolu ram para outro est gio no qual s o chamados de dispositivos inteligentes os IEDs Os IEDs possuem uma verdadeira superposi o de funciona lidades que al m de executarem suas fun es b sicas podem exercer as fun es de monitoramento e controle das grandezas el tricas Contudo grandes privil gios trazem consigo grandes responsabilidades Com o avan o dos equipamentos os testes de conformidade tiveram que aumentar sua complexidade de forma exponencial Os experimentos em laborat rio s o usados com base em v rios cen rios diferentes que qualificam o IED Portanto diante desse quadro de evolu o a qualidade dos servi os dire tamente proporcional qualifica o dos profissionais que est o a programar esse novo padr o O desenvolvimento pleno e assimila o da IEC 61850 dependem de engenheiros e t cnicos familiarizados com a norma Nessas condi es cabem s faculdades e empresas a elabora o de treinamentos e planos de ensino desse no vo padr o As expans es dos sistemas de automa o de subesta es est o mais vi veis nesse momento A moderniza o pode se dar por etapas devido interoperabilida 5 Conclusao de Nao ha mais necessidade de varios conversores de comunicagao O cabeamen to rigido antes existente foi substituido por uma rede Ether
35. de equipamentos Atividades de Manuten o Os danos causados por interrup es e dist rbios s o t o diversos quanto s causas que os originam Perdas de instru es de programa o travamento de pro cessos acionamento incorreto de dispositivos preju zos materiais temporais finan ceiros e clientes muito insatisfeitos s o alguns dos problemas que as falhas ocasio nam Esse esquema deve garantir o fornecimento e continuidade atuando da me lhor e mais r pida maneira poss vel 4 1 1 Sistema de Prote o O sistema de prote o numa subesta o tem a fun o de identificar e elimi nar as faltas e dist rbios no menor tempo poss vel A efici ncia de uma prote o ba seia se na sua velocidade de atua o capacidade de sele o da menor rea afeta da para atuar pronta atua o sensibilidade de identificar situa es anormais e pre cis o na opera o Esse elo pode ser visto na figura 24 40 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce Confiabilidade Velocidade Sensibilidade Sistema de Prote o Seletividade Seguran a Figura 24 Elos para Efici ncia do Sistema de Prote o 4 1 2 Zonas de Prote o As zonas de prote o devem isolar a menor parte poss vel do sistema el trico numa situa o anormal ou de falta Dessa forma sua estrutura e l gica devem ga rantir que o esquema de prote o est pronto para atuar prevenir e interpretar as informa es do sistema
36. de ser implementado at mesmo entre equipamentos do mesmo fabricante Com o advento da norma esse impasse resolvido Numa mesma instala o esperado ter equipamentos de diferentes tecnolo gias e gera es atuando em conjunto Com a norma IEC 61850 independente da 16 2 Norma IEC61850 gera o desses equipamentos eles possuir o a capacidade de comunica o inte gra o e reconhecimento A complexidade dos dispositivos s tende a aumentar com o avan o da tec nologia E por que n o dizer a complexidade de todo o sistema Para isso a norma estabelece testes de conformidade para aferi o dos sistemas desenvolvidos Tais estes s o efetuadas por organiza es independentes e especializadas podendo in clusive em alguns casos mais complexos envolver uma terceira parte Numa vis o negativa pode se erroneamente pensar que a norma IEC 61850 fornece todos esses benef cios a custo de redu o da m o de obra humana e tornar os operadores obsoletos Na realidade a norma torna todo o trabalho manual obso leto sendo necess rio ao operador que especialize sua m o de obra para supervisi onar o que os IEDs est o aptos a fazerem conforme a norma IEC 61850 de automa o de subesta es Sem d vida a norma foi e continua sendo uma revolu o nas automatiza es dos sistemas de distribui o de energia el trica 17 3 Interoperabilidade Segundo o dicion rio Aur lio a defini o de teste
37. dor lhe empregou Nesse cen rio um sistema que possa universalizar a comunica o de cada dispositivo quase algo imagin rio A norma IEC 61850 torna isso real 1 1 Por que aplicar a tecnologia numa subesta o Com a crescente demanda tem se a necessidade de sistemas mais confi veis r pidos e precisos A constru o de subesta es algo que tem se desenvol vido desde meados do s culo XIX Em todo esse per odo uma das quest es chaves para uma subesta o o monitoramento de suas fun es Controle de grandezas el tricas processos de prote es esquemas de al vio de carga conting ncias tudo isso vem somar a complexidade da opera o Considere a quantidade crescente de clientes demandando energia constantemente imposs vel haver uma monitoria de forma manual Da a import ncia de se ter um sistema automatizado Mais necess rio ainda um sistema que se comunique 1 Introdu o Os dispositivos com tecnologia avan ada que desenvolveram nas ltimas d cadas trouxeram muitas vantagens para esse processo de automa o Contudo to dos tinham o mesmo objetivo mas caminhavam de formas diferentes e indepen dentes Cada fabricante tinha a autonomia de criar sua pr pria forma de comunica o seu pr prio protocolo A comunica o entre os objetos tecnol gicos usados era cada vez mais dif cil mesmo entre dispositivos de mesmo fabricante A norma IEC 61850 mudou completamente esse qua
38. dro Al m de possibilitar a comunica o entre equipamentos de diferentes fabricantes a norma tornou os sis temas nela baseados a prova de futuro Dessa forma n o importa o que os equi pamentos do futuro ir o incorporar mas certamente ir o se comunicar corretamente com os dispositivos atualmente instalados 1 2 Interoperabilidade Ao longo desse trabalho falaremos demasiadamente dessa palavra que o cora o da norma Interoperabilidade corresponde fant stica capacidade dos dis positivos de diferentes formas e fabricantes de se reconhecerem e operarem em um mesmo padr o Por causa da mudan a de tecnologia de opera o n s temos a mudan a de cabos de controle para a fibra tica sistema interligado via Ethernet remo o das grandes canaletas que abrigavam a grande quantidade de cabos automatiza o dos pain is de controle e a troca de chaveamentos por circuitos l gicos como gran des vantagens da norma Al m disso a ineg vel redu o de custos vem consagrar a supremacia da norma IEC 61850 nos modernos sistemas de automa o de subesta es 1 3 Por que a norma t o completa A padroniza o no sistema de comunica o foi feita baseada em um sistema consagrado que o TCP IP Dessa forma todos os conceitos oriundos de uma rede de computador comum tais como endere os IP datagramas roteamento frames entre outros foram incorporados no da automa o e prote o de subesta es A comunica
39. e da a ne cessidade de testes para o sistema de comunica o Mesmo com todas essas considera es a possibilidade dos IEDs n o conse guirem interoperar em algumas aplica es n o deve ser descartada sobretudo nos primeiros anos de aplica o da norma ou em novas aplica es Os testes s o de import ncia fundamental nesse sentido Finalmente em fun o do aumento da complexidade dos equipamentos de um SAS os testes tiveram um aumento proporcional de considera es e levanta mentos a serem feitos em IEDs e no sistema O desenvolvimento e a implanta o dos dispositivos baseados na norma dependem do desenvolvimento de testes e m todos capazes de ensaiarem devidamente as funcionalidades dos diferentes compo nentes do sistema 3 2 Defini es de Teste de Sistema Segundo a norma IEC 61850 10 sistema definido como O sistema l gico a uni o de todas as aplica es fun es de comunica o executando al guma tarefa completa como gerenciamento da subesta o via n s l gicos O sistema f sico com posto por todos dispositivos que hospedam estas fun es e a rede de interconex o f sica de comuni ca o O limite do sistema dado pelas interfaces l gicas ou f sicas Dentro do escopo da s rie IEC 20 3 Interoperabilidade 61850 sistema sempre se refere ao Sistema de Automa o de Subesta o SAS a menos que anotado de outra maneira Em outras palavras o sistema
40. e e operar a sa da bin ria A sa da bin ria do IED caso esse a possua tamb m dever ser avali ada para melhor avalia o do desempenho do processo 3 5 3 Especifica o de Sistema Teste Baseado na IEC 61850 Alguns pontos relevantes devem ser considerados no sistema de teste para que se tenha um ensaio apropriado e adequado s configura es desejadas numa SAS As fun es a seguir descrevem essas caracter sticas b sicas e Sinais anal gicos virtuais de tens o e corrente aos IEDs testados Es sa fun o caracter stica da Ferramenta de Simula o e Simuladores de sinal digital para simular as mudan as de status de um disjuntor ou controle remoto tal como sa das comuns dos IEDs e Simula o de mensagens GSSE GOOSE para simular um ambiente de comunica o com os IEDs conectados rede de uma subesta o Juntamente tamb m deve ser inclu do um analisador de mensagens para avaliar o desempenho de comunica o e resposta do rel e Ferramentas de configura o que permitam ao usu rio configurar o dispositivo teste aos requisitos dos IEDs testados e Software de teste com configura o flex vel das sequ ncias de teste e simula es que atendam as fun es anteriormente descritas 32 3 Interoperabilidade Esses requisitos b sicos s o conseguidos com a implementa o dos compo nentes de sistema descritos na se o 2 4 3 6 Testes Funcionais e de Interoperabilidade Falando em Interoperabi
41. eis redes utilizadas em comunica es poss vel ainda a configura o para anel misto que consiste em anel sim ples com IEDs interligados em estrelas e n s As configura es em anel requerem que algum ponto seja mantido aberto afim de evitar que as mensagens permane am em circula o indefinidamente sobrecarregando o meio f sico desnecessariamente Em caso de interrup o do anel em outro ponto a rede LAN reconfigurada rapi damente por meio de um protocolo espec fico RSTP Rapid Spanning Tree Proto col Essa reconfigura o dura em torno de 5 ms Os switches podem ser configurados para comporem redes virtuais denomi nadas VLANs As VLANS possibilitam a interliga o e o fluxo de dados apenas entre conjuntos de IEDs o que rende maior velocidade de comunica o 2 7 A norma IEC 61850 aplicada a uma Subesta o de Distriui o A an lise feita refere se a uma Subesta o de distribui o de porte m dio com dois transformadores de 25 MVA e dez alimentadores A mesma an lise feita na refer ncia 2 Os IEDs possuem alta capacidade de operar diretamente as bobinas de aber tura e fechamento dos disjuntores tornando desnecess rios rel s de bloqueio e au xiliares Os IEDs podem realizar todas as fun es de supervis o e controle A figura 7 mostra o esquema de liga o para a subesta o considerada Em cada v o existe um IED de prote o associado e a arquitetura modular e distribui da Cada IED conec
42. es especiais devem ser consideradas como 28 3 Interoperabilidade por exemplo mensagens corrompidas intencionais para testar o com portamento do dispositivo em situa es inesperadas e Capacidade de registro de todas as respostas dos dispositivos sob tes te e Cen rios com execu o de mensagens autom ticas para situa es positivas com comportamento esperado das mensagens e negativo com mensagens erradas e ou corrompidas e An lise e diagn stico de resultados esperados e erros O Teste de Conformidade deve ser realizado antes da implementa o dos dispositivos em uma determinada aplica o Dessa forma problemas internos de software e diferen as de interpreta es podem ser detectados sem necessidade de parar uma implementa o do cliente causando transtornos e preju zos 3 5 2 Testes Funcionais em Aplica es Baseadas na IEC 61850 Os ensaios de rel s sempre foram um grande desafio para as equipes de pro te o Os testes em rel s microprocessados convencionais utilizam simula o de contatos auxiliares mudan as din micas nas grandezas anal gicas de tens o e cor rente e reprodu o de eventos reais gerados por softwares de simula o As sa das do rel devem ser monitoradas com o objetivo de registrar mudan as de estado e assim ser poss vel a avalia o de atua o do dispositivo No ensaio em rel s baseados na norma IEC 61850 as mensagens no proto colo substituem os cabos utilizados
43. grama de Bloco Simplificado Sistema de Teste Configuration Tool Tool IEC 61850 Based IED Inicialmente o primeiro componente analisado ser a Ferramenta de Configu de teste Como o pr prio nome sugere ela a pega fundamental confi gura o dos testes a serem realizados Para isso utiliza a linguagem SCL j co mentada anteriormente Portanto a Ferramenta de Configura o de teste importa a informa o descritiva de cada IED a configura o de comunica o e a descri o de suas fun es no contexto da subesta o Essas caracter sticas encontram se no ar quivo SCD e atrav s dele que se configuram os ajustes para o teste Do cap tulo 2 n s temos que o arquivo ICD cont m todas as informa es sobre as funcionali dades de um IED A Ferramenta de Simula o segundo elemento do sistema gera formas de onda de corrente e tens es V rios cen rios podem ser simulados de forma que a configura o do dispositivo em teste Device Under Test seja completamente testa da As configura es dessa ferramenta variam conforma a necessidade do sistema Por exemplo os valores de teste podem ser baseados em valores RMS ou fasores com sua amplitude e ngulo de fase Os sinais aplicados podem ser tanto anal gi cos como digitais conforme as caracter sticas do dispositivo Para regimes com 25 3 Interoperabilidade transit rios uma simula o eletromagn tica destes
44. idade es que na verdade s o situa es de maior stress para o sistema Nesse tipo de situa o s o simuladas falhas que evoluem para m ltiplas zonas de prote o na subesta o adicionadas ainda de falhas no disjuntor O teste deve indicar se o sis tema de comunica o opera corretamente nessa situa o com todas as fun es e intera es dos IEDs 38 4 Aplicacao Subestacao Nova Olinda Coelce Para uma concession ria de energia el trica as interrup es de fornecimento representam o maior problema que as mesmas devem resolver E da forma mais r pida poss vel Como se n o bastasse a insatisfa o do cliente os indicadores de qualidade de energia coletiva e individual devem estar abaixo da meta estabelecida pelo rg o regulador O n o cumprimento dessas exig ncias ou a incapacidade de controle das quantidades de situa es de falta significam multas processos descr dito da concession ria e em casos extremos perda de concess o de energia a de terminadas localidades Mais do que automatizar tarefas rotineiras o processo de automatiza o de uma subesta o visa garantir um melhor desempenho com a me nor possibilidade de erros a fim de garantir a continuidade do fornecimento de ener gia 4 1 Motiva o A energia el trica indiscutivelmente necess ria sobreviv ncia humana N o necessariamente no sentido de sobreviv ncia mas quase todas as atividades comerciais e que prop
45. inguagem acess vel e reconhecida por todos fica muito mais f cil readaptar o sistema para pe quenas e grandes corre es para o trabalho de engenharia O fabricante de cada IED fornece juntamente com cada dispositivo um ar quivo que cont m suas caracter sticas e funcionalidades chamado ICD ED Capabi lity Description Depois de configurados o arquivo ICD de cada IED torna se o ar quivo CID Configured IED Description Os arquivos ICD de todos os IEDs devidamente configurados para o trabalho de engenharia designado ou simplesmente os arquivos CID juntamente com o ar quivo SSD das redes de configura o ir o compor o arquivo SCD Substation Confi 11 2 Norma IEC61850 guration Description Este ltimo deve ser arquivado para consulta dos respons veis pela manuten o de futuras expans es pois esse arquivo o correspondente digital de diagramas esquem ticos e l gicos de uma subesta o A figura 5 exempli fica esse processo A possibilidade de comunica o entre todos os n s l gicos com alta velocida de e precis o elimina de vez a necessidade v rios cabos para fun es distribu das como intertravamentos prote es de barra ou falhas no disjuntor A transmiss o de dados independente da aplica o o que torna o sistema altamente male vel Caso haja mudan a no futuro para uma tecnologia de comuni ca o mais avan ada n o ser necess rio alterar a base de dados e parte significa tiv
46. is GOOSE entre os muitos IEDs Dessa forma temos a facilidade de comissionamento e opera o dos IEDs que podendo estabelecer comunica o entre si resultam num sistema de prote o e supervis o altamente eficaz Projetos utilizando a norma IEC 61850 requerem maior detalhamento l gico e tabelas de mensagens para a comunica o dos IEDs que al m de especificarem o conte do devem conter o destinat rio unico ou m ltiplo a fim de se conservar a se letividade l gica e um melhor desempenho do sistema de prote o Essas caracter sticas reduzem o tempo necess rio para a opera o se fosse feita por operadores al m de resultar num aumento de confiabilidade seguran a e disponibilidade do sistema Essa caracter stica diminui os tempos de interrup o a que os consumidores est o submetidos Portanto a automatiza o de subesta es de distribui o no ngulo de vis o das concession rias algo muito precioso visto que com redu o de tempos de opera o aumento da confiabilidade e otimiza o dos tempos de resposta faltas poder o reduzir seus indicadores de continuidade Uma avalia o dessa melhoria para Europa e Am rica mostrada na refer ncia 3 2 8 Tend ncias Os mais diversos equipamentos de diferentes fabricantes est o dispon veis no mercado hoje O caos estabelecido se esses dispositivos n o possu rem a ca pacidade de comunica o e uma linguagem padronizada H alguns anos isso era dif cil
47. lidade nos referimos a elementos que se comunicam entre si Obviamente s temos interoperabilidade se tivermos dois ou mais dispositi vos No t pico anterior nos referimos a testes de um IED apenas Nos testes Funcio nais e de Interoperabilidade os testes s o feitos para avaliar o desempenho dos dis positivos ao mesmo tempo numa mesma rede Para isso considera se que cada IED foi previamente testado conformidade segundo o padr o da norma IEC 61850 Leva se em conta que os requisitos funcionais e as opera es de fun es nao distri bu das tenham sido tamb m verificados sendo observadas mensagens verticais e horizontais sinais de status comandos alarmes e informa es para a Interface Ho mem M quina IHM 3 6 1 Hist ricos e Primeiros Testes Nas ltimas d cadas muitos protocolos eram usados nas subesta es Um grande problema com isso acarretado era que alguns protocolos eram de aplica o espec fica ou de necessidades de instala es locais Isso dificultava em muito a possibilidade de abrang ncia de um protocolo que atendesse a todos os requisitos de um SAS Outro grande problema era a coordena o entre IEDs de fabricantes diferen tes Para um mesmo fabricante a coordena o por motivos bvios seria bem f cil Contudo ainda assim existia possibilidades dos dispositivos n o interoperarem A l m disso um sistema com dispositivos de apenas um fabricante muito dif cil de ser encontrado O sistema fica
48. m de mensagens GSE que utilizam a pr pria rede para a troca de mensagens dis pensando cabeamento para liga es f sicas Se o objetivo ter um sistema a prova de futuro e com interoperabilidade na da mais vi vel do que utilizar servi os de mensagens j consagrados e difundidos no mercado Para isso a norma estabelece a utiliza o de protocolos comuns como MMS Manufacturing Message Specifications o TCP IP Transmission Control Pro tocol Internet Protocol UDP IP User datagram Protocol Internet Protocol e a rede Ethernet As mensagens GOOSE utilizam o sistema SCSM Specific Communication Service Mapping utilizando um sistema de retransmiss o particular que consiste em repetir a mensagem por diversas vezes com o objetivo de se alcan ar um n vel de confiabilidade adequado A cada tentativa o tempo de espera dobra objetivando minizar colis es na rede O tempo cresce at um valor m ximo chamado de timeAll wedToLive que ap s atingido o receptor assume o encerramento da conex o A re presenta o desse mecanismo pode ser visto na figura 4 Tempo de Transmiss o eo 1 Figura 4 Intervalos entre mensagens GOOSE 10 2 Norma IEC61850 A comunica o entre IEDs e Computadores vertical e entre os mesmos ho rizontal feita atrav s de uma LAN Ethernet de 100Mb s a 1Gb s e a topologia varia conforme a disponibilidade desejada As to
49. munica es podem ser tanto horizontais mesmo n vel como verti cais n veis diferentes Nas comunica es verticais as informa es s o transferidas no modo Clien te Servidor contrastando com o modo Mestre Escravo comum em outros protocolos Este ltimo m todo apesar de ter a vantagem do desempenho determin stico re lativamente lento chegando a demorar entre 1 e 2 segundos No modo Cliente Servidor o servidor normalmente um IED est no n vel v o ou processo e fornece os dados ao cliente que est no n vel esta o ou outro ponto qualquer que solicite dados Os dados s o fornecidos pelo servidor conforme solicita o do cliente ou a partir de eventos pr definidos s o gerados automaticamente O cliente como j de se esperar o computador da subesta o ou outro ponto de controle remoto ou ainda um gateway Nas comunica es verticais o cliente possui o controle do pro cesso poss vel haver v rios clientes Comunica es horizontais s o caracterizadas pelo modo Editor Assinante As informa es na rede s o distribu das de forma unicast ou multicast Isso significa que as mensagens podem ser recebidas por um nico ou v rios IEDs e eles por sua vez podem utiliz la ou n o conforme sua necessidade O IED assinante recebe a mensagem e a utiliza conforme lhe for til As mensagens n o necessitam de sinais de confirma o de recebimento sendo repetida v rias vezes para aumentar a re dund n
50. net E todas essas vanta gens convergem num sistema mais confiavel e estavel mesmo que no futuro por ventura possam ser necess rios modifica es de projeto afinal a norma IEC 61850 a prova de futuro 52 1 Refer ncias Bibliograficas Pereira A C Automa o De Subesta es E Usinas Estado Da Arte E Tend ncias Utilizando A Norma IEC 61850 In VII SIMPASE 2007 Salvador Ba hia 2 ww 4 S 7 Pereira A C Sistemas de Prote o e Automa o de Subesta es de Distribui o e industriais usando a norma IEC61850 In XIII Encuentro Regional Iberoa mericano de Cigr 2009 Puerto Iguaz Argentina Oliveira L P O Dawidczak H A Experi ncia De Projetos Utilizando A Norma IEC 61850 Na Europa E Am rica In VII SIMPASE 2007 Salvador Bahia Pereira A C A Import ncia dos Testes Funcionais e de Interoperabilidade para a Integra o de Sistemas de Prote o e Automa o Utilizando a Norma IEC61850 In IX Semin rio T cnico de Prote o e Controle 2008 Belo Horizon te Minas Gerais Paulino M E C Testes De Conformidade Em Rel s Multicuncionais Baseados Na IEC 61850 VIII Semin rio T cnico de Prote o e Controle 2005 Rio de Ja neiro Ru Paulino M E C Apostolov A Testes de Sistema de Automa o de Subes ta o Complexos Baseados na IEC 61850 In VII SIMPASE 2007 S
51. nte servidor Em mensagens horizontais GOOSE ou GSSE as mensagens s o feitas no modo editor assinante Os modos de verticais e horizontais foram estudados no cap tulo 2 deste trabalho O sistema de teste deve ser bem estruturado de forma a garantir a avalia o correta de diferentes caracter sticas dos IEDs Os processos da subesta o devem ser simulados atrav s de fontes de corrente e tens o bem como a emiss o de sinais virtuais de processo de trip estados de disjuntores e chaves N o devemos esque cer que a rede LAN faz parte do sistema nesse contexto de automatiza o Logo o equipamento de teste deve interagir com a rede As ferramentas de teste para an li se e simula o devem estar em linguagem SCL Mesmo com todos os estudos e casos comuns imposs vel realizar todos os testes baseados em todos as condi es de erro poss veis Segundo a refer ncia 4 o n mero de possibilidades muito grande e cresce exponencialmente a cada IED instalado Os erros de opera o e interoperabilidade mais comuns s o vistos na pr tica principalmente no in cio de uma aplica o de automa o de subesta o Portan to cen rios com os problemas mais corriqueiros devem ser utilizados a fim de teste dos dispositivos Algumas caracter sticas sobre a ferramenta computacional de teste devem ser observadas Algumas delas s o descritas e Todos os servi os e protocolos da IEC 61850 devem ser implementa dos Al m disso situa
52. or Serv Aux Linha Linhas Transformador Transform Figura 9 Configura o em anel utilizando IEDs Em qualquer que seja a topologia adotada observa se que o sistema est li gado de forma redundante Em qualquer falha que houver o fluxo de informa es continua assegurado pelo outro lado das liga es Nesse ponto importante salientar que a norma IEC 61850 n o estabelece qualquer tipo de redund ncia para as topologias Ou seja n o h topologia de re dund ncia que a norma possa assegurar a interoperabilidade Os equipamentos utilizados devem apresentar baix ssimo MTBF e deve ser utilizado equipamentos com partes m veis e com ventila o for ada A topologia mostrada na figura 9 bem simples e funcional Os grupos de l EDs est o ligados a dois switches redund ncia dedicados e estes est o conecta dos a outros dois switches de entrada para a Interface Homem M quina IHM Es 15 2 Norma IEC61850 ses dois ltimos podem ser ainda gateways A parte final da topologia mostrada na figura 8 mostra que os gateways est o ligados de forma redundante sendo um de les de Hot Standby Dessa forma os dois recebem as mensagens e informa es mas apenas um as repassam IHM Nesse caso caso haja falha no dispositivo o gateway de retaguarda ou backup ir assumir todas as fun es Essa troca imper cept vel Um grande benef cio contemplado pela norma IEC 61850 a troca de men sagens horizonta
53. orcione bens econ micos ao ser humano s o dependentes da energia el trica 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce Ap s ser gerada seja por fonte hidr ulica e lica combust vel f ssil ou outra forma prim ria a energia el trica deve ser transmitida at chegar aos centros de consumo Logo ap s o processo de transmiss o temos o processo de distribui o em que finalmente a energia entregue ao consumidor final Dizemos Consumidor Final porque a concession ria um consumidor intermedi rio que compra e ad qua a energia s condi es pr prias para o uso do consumidor final Os processos de gera o transmiss o e distribui o est o sujeitos a dist r bios que podem perturbar o sistema el trico assim como interromper o fornecimento de energia V rios s o os poss veis motivos desses dist rbios As condi es modos e in tensidade desses eventos indesejados s o oriundos de eventos naturais localiza o geogr fica eventos aleat rios erros de opera o e requerimento de carga Para melhor entendimento a tabela 1 mostra mais claramente como se dividem os moti vos de dist rbio do sistema Tabela 1 Motivos de Dist rbio do Sistema El trico A o da Natureza Causas Aleat rias Opera es Normais Rel mpagos Ventos Fortes Atividades de Constru o Surtos de Chaveamento Contato de Galhos de rvores Acidentes envolvendo Ve culos Bancos de Capacitores Contato de Animais Falhas
54. os Logs Figura 11 Representa o de um Sistema e suas partes importante ressaltar a import ncia das fronteiras nessas condi es Essas defini es s o importantes para se definir os m todos de teste para cada n vel hie r rquico do sistema e desta forma obtermos otimiza o na avalia o realizada Os elementos funcionais s o os menores componentes do sistema e portanto os me nores elementos que podem ser testados Todos esses princ pios s o aceit veis nos testes de sistema de prote o e automa o de subesta es segundo a norma IEC 61850 3 3 Tipos de Sistema baseados na IEC 61850 Distinguisse dois modelos de sistema segundo a interface com equipamentos prim rios da subesta o Sistema com Implementa o Parcial e Sistema com Im plementa o Total da IEC 61850 23 3 Interoperabilidade Para a implementa o parcial da norma requerido apenas o Barramento da Esta o A proximidade da IEC 61850 em rela o a comunica o r pida ponto a ponto por mensagens GOOSE torna isso poss vel Vale ressaltar que as intera es Cliente Servidor entre aplica es no n vel de esta o e IEDs s o usados A interface entre os equipamentos fundamentada na troca de mensagens de comunica o sobre a rede local Dessa forma as conex es com cabeamento r gido utilizado nos seguintes equipamentos e Secund rio de TCs e TPs e ainda em entradas anal gicas de disposi tivos inteligentes e Contatos
55. pologias mais utilizadas s o anel simples anel duplo e mista Ap s todas essas informa es conclui se que al m dos IEDs e outros dispo sitivos O sistema de comunica o parte do sistema agora com a chegada da norma IEC 61850 Portanto a escolha dos equipamentos que ir o compor o sistema de comunica o do SAS deve ser cuidadosa adquirindo equipamentos que satisfa am as condi es escolhidas possuam um baixo MTBF Tempo M dio Entre Fa lhas aptos a trabalhar com sinais de alta velocidade roteadores switches e cabos de comunica o compat veis e equipamentos resistentes interfer ncia eletromag n tica alta Tudo isso est previsto na norma 2 5 A Linguagem SCL A linguagem SCL usada para a comunica o dos diversos dispositivos de um SAS e incorpora conceitos de heran a e polimorfismo referencias abstratas de linguagens orientadas a objetos Juntamente com essa linguagem as informa es sobre configura o e caracter sticas da rede de comunica o formam o arquivo que representa todo o sistema que se chama SSD System Specification Description Esse ltimo juntamente com outros comp em de uma s rie de arquivos que cont m os dados sobre as diversas fun es do SAS Com a linguagem SCL tem se a padroniza o da linguagem entre progra mas ou seja a nomenclatura utilizada foi uniformizada O problema de comunica o descrita na introdu o desse cap tulo foi resolvido Al m disso com uma l
56. pontos do sistema que podem ainda estar desenvolvendo mais de uma fun o simult nea A l m disso a rede de comunica o deve ser compat vel com os equipamentos inteli gentes Existem tr s n veis de testes que correspondem a hierarquia de funcionalida de dos equipamentos a saber e Teste de Conformidade ou de elementos funcionais e Teste de integra o ou interoperabilidade e Teste de Desempenho do Sistema de Comunica o Como se pode ver s o tr s n veis distintos que podem ser feitas em etapas diferen tes com distintos m todos de avalia o Os n veis de teste ser o explanados mais a frente Sem d vidas a principal vantagem que a padroniza o que a norma IEC 61850 traz a facilidade de expans o dos Sistemas de Automa o de Subesta es conhecidas por SAS A possibilidade de interligar v rios IEDs de diferentes modelos e fabricantes em qualquer espa o de tempo faz com que a norma seja prova de futuro Essa grande caracter stica da norma chamada de interoperabilidade Contudo evidente que apenas especificar o sistema de acordo com a IEC 61850 insuficiente para ter a certeza da expans o futura compat vel Existem ou tros fatores que devem estar aliados a essa compatibilidade Equipes especializadas devem tratar da elabora o de um software interno de determinado equipamento de prote o controle e automa o O algoritmo deve a tender s exig ncias e expectativas do sistema Contudo
57. ral Process Unit CSMA CD Carrier Sense Multiple Access Collision Detec tion DARPA Defense Advanced Research Protection Agency DCS Distributed Control System DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DNP Distributed Network Protocol EIA Electronic Industries Alliance EMI Electromagnetic Interference EPRI Electrical Power Research Institute ETE End to end FTP File Transfer Protocol GOOSE Generic Object Oriented Substation Event GPS Global Positioning System GSSE Generic Substation Status Event HVAC Heating Ventilation and Air Conditioning IEDs Intelligent Electronic Devices IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IHM Interface Homem M quina IRIG B Inter Range Instrumentation Group ISO International Organization for Standardization LAN Local Area Network LLC Logical Link Control LN Logical Node LON Local Operating Networking LPROT Laborat rio de Pesquisa em Prote o de Sis temas El tricos MAC Media Access Control MIT Massachusetts Institute of Technology MMS Manufacturing Message Specification MU IED Merging Unit MVB Multifunction Vehicle Bus OPC Ole for Process Control OPNET OPtimized Network Engineering Tools OSI Open Systems Interconnection XIV P amp C IED Protection and Control IED PLCs Programmable Logic Controllers
58. rganiza o da subesta o Al m disso algumas fun es n o estavam habilitadas ou o pr prio hardware da subesta o n o suportava No Anexo A podem ser visuali zadas algumas fotos da antiga subesta o fornecidas por um engenheiro da rea de execu o de obras Dessa forma uma melhor vis o pode ser obtida do estado anti go da Subesta o 4 3 Equipamentos Utilizados V rios equipamentos foram adquiridos para o processo de automa o da Subesta o de Nova Olinda Os pain is ou arm rios foram montados pela empresa Schneider As fotos externas e internas dos pain is podem ser vistos no Anexo B 44 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce Os rel s incorporados nos armarios sao da Areva Os disjuntores modulares medi dores e Computador de IHM sao da propria Schneider Os switches utilizados sao da Rugged modelo RS900 A rede de comunica o feita em fibra tica 4 4 Topologia da Rede de Comunica es Adotou se uma topologia de liga o em anel para o novo sistema da subesta o de Nova Olinda Os rel s de cada arm rio s o ligados a um switch dedicado conforme pode ser visto na figura 29 Figura 29 Liga o dos Rel s Areva ao Switch dedicado Os arm rios 2 e 4 possuem cinco rel s cada sendo que no arm rio 3 est instalado um medidor Schneider e quatro rel s Os switches dos arm rios 2 3 e 4 s o ligados em s rie formando um anel Assim caso haja falha em um dos rel
59. ria completamente dependente de um fabricante o que muito desvantajoso para a manuten o e expans o do sistema Com a IEC 61850 novos caminhos foram definidos e esses possibilitam a comunica o entre diversos dispositivos de diferentes fabricantes Al m disso as caracter sticas atuais dos IEDs configuram uma situa o de sobreposi o na funcio nalidade desses Diversas fun es foram incorporadas num nico dispositivo entre elas e Rel s de Prote o 33 3 Interoperabilidade Medidores Equipamentos de Controle Equipamentos de Monitora o Registradores de Eventos Monitores de Qualidade de Energia Unidade Terminal Remota UTR Muitos desses componentes precisariam de um adicional de backup al m dos testes individuais que cada um estaria submetido o que aumentaria em muito os custos de uma instala o Em 2002 as empresas ABB AREVA e SIEMENS come aram os testes de interoperabilidade O progresso obtido com os testes ajudaram no desenvolvimento da norma de forma que a aplicabilidade da IEC 61850 tornou se inquestion vel A figura 21 mostra a topologia da liga o dos rel s em anel Rede Ethernet 100 Mbit s com redund ndia Mensagens GOOSE KEMA UniCA Analisador KEMA UniCA IEC 61850 GOOSE Simulator de Rede 61850 Analyser Figura 21 Arranjo para o teste de mensagens GOOSE ABB AREVA e SIEMENS No ensaio o equipamento de teste OMICRON muda o sinal de entrada de
60. s As mensagens e respostas dos rel s ser o verificadas direta mente na Interface Homem M quina O sistema j est montado e deve ser confi vel Dessa forma n o h necessidade de testes individuais de conformidade Numa simula o apenas s o verificados a interoperabilidade dos dispositivos a efici ncia do sistema de comunica o e a sua adapta o ao sistema j existente Coelce 4 5 3 Execu o Obviamente no caso de moderniza o de uma subesta o em pleno funcio namento imposs vel desligar todo o sistema para a substitui o dos equipamen tos Na realidade o processo feito por disjuntor e a carga a ele associada transfe rida a outros disjuntores Em cada etapa ou seja a cada disjuntor a equipe liga os novos equipamen tos e realiza os testes necess rios para a avalia o de opera o O tempo para isso vari vel sendo normalmente acima de tr s dias para cada disjuntor No caso de Nova Olinda como se trata de uma subesta o de pequeno por te o processo de automa o dever durar em torno de quarenta e cinco dias Em outras subesta es de maior porte como a de Iguatu o processo demora mais de sessenta dias 4 6 Vantagens e Melhorias Com um sistema automatizado teremos respostas mais r pidas e confi veis em casos de dist rbios na rede el trica A atua o correta dos dispositivos de prote o do sistema el trico fundamental para assegurar a continuidade de energia isolar
61. s o fluxo de informa es est assegurado pelo outro lado ainda conectado figura 30 45 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce Figura 30 Ligagao da rede de comunicagao em anel A rede da subesta o independente da rede corporativa da Coelce Desse modo um switch central da empresa controla o fluxo de informa es para o switch de liga o com o sistema de comunica o da Coelce at as informa es chegarem ao centro de controle Ap s o switch central temos um conversor RJ45 rede con vencional para fibra tica O switch Coelce pertence a Synapsis empresa que cuida do sistema de comunica o do grupo e a partir desse as informa es chegam ao Centro de Controle O Centro de Controle tem acesso remoto aos dispositivos e a oscilografia do sistema No arm rio 1 encontra se a IHM Local onde o operador pode fazer processos no pr prio painel na subesta o O esquema de liga o da rede completa mostrado na figura 31 46 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce SALA DE CONTROLE ACESSO REMOTO COSE E OSCILOGRAFIA PROT IEC 104 SOBRE TCPIP REDE COELCE SISTEMA DE COMUNICACAO COELCE CC TO Tee ARM RIO 01 MOLA EA SWITCH IHM LOCAL IEC 104 Figura 31 Sistema de Liga o SE Nova Olinda 4 5 Testes e Comissionamento Antes de ser implementado o sistema deve ser submetido a uma sequ ncia de testes de
62. some examples Finally an a nalysis of the process automation of Nova Olinda is presented noting the improve ments made in terms of the standard Keywords IEC 61850 Substation Automation interoperability communication between IEDs viii Sumario SUMARIO Sa a Siwa duce VIII LISTA DE FIG URAS uu aaa eea a DS Susa s secesesssevsusecsucesessvecentassuestessvecsseoovedeorsess X LISTA DE TABELAS css R S hu SQ QS DSG S SG XII LISTA DE ABREVIATURAS 2 0 cccnvcesescccccsctenscesscentcceuovesevscoctecuneveuveceeuceesesesssscesccguessveeceecscdeuvebbeverbecsvoeses XIII Ta SS GDE u a as See i SED E ES 1 INTRODU O aa 1 1 1 POR QUE APLICAR A TECNOLOGIA NUMA SUBESTA O cccceseessscecececeeseseseceescecsessaeseeececseeaaeeeeseeeeeeees 1 1 25 INTEROPERABIUIDADE I suy m 2 1 3 POR QUE NORMA TAO 2 Zi Sa aW a aW Sa uw P Way ARDE A AD a SAY DR A 4 NORMA IEC 618850 m i m oat A a 4 2 1 VIS O GERAL SOBRE A NORMA IEC 61850 cccccecccccesseseececececeesesecceceseaeenseeeceeeseaeensseeceeseeauegeseeeeees 4 2 2 AS VANTAGENS DE EVOLUIR PARA A IEC 61850 INTEGRA O DO 6 2 3 EG 61850 A NORMA Q Q uk
63. tado a dois switches utilizando suas portas de comunica o independentes conforme visto na figura 8 Essa redund ncia reduz a possibilidade de uma falha interromper o fluxo de informa es entre cliente e servidor ou editor e assinante 13 2 Norma IEC61850 Forte ou Fonte ou Fonte ou Fonte ow Cargo Corga Carga Cargo sipe i ip pe Vh ne Centro 558 m Controle Remoto H Acesso Remoto eee 555 Engennaria Manuten o Monitoramento Sistema 1 Moneoramento IHM Local Gateway B Hot Standy Bay Controdlers Linha oe s s IEC 81850 DNPS LAN WAN Almentadores e Transformadores DNP3 LAN WAN Syny Todos Protocolos Figura 8 Configura o da rede de comunica o 14 2 Norma IEC61850 poss vel ainda utilizar outra configura o para rede Nesse caso seriam uti lizados switches com menos entradas e portanto mais baratos e a arquitetura em anel seria feita pelos pr prios IEDs utilizando para isso as a liga o em s rie dos dispositivos por meio de suas entradas de comunica o independentes Essa arqui tetura pode ser vista na figura 9 Gemas P IEC 104 r r o LAN IEC 61850 200505800 OA Alimentador 87B UTR Aliment Medi o Prote o Unidade de 87B UTR Medi o Prote o Prote o do Miscel ncos Capacitor Principal da V o Miscel neas Principal Transformad
64. terven o de um gateway A norma IEC 61850 a prova de futuro no seu sentido mais literal poss vel Uma vez observados os padr es estabelecidos um sistema baseado na norma em quest o possui a capacidade de expans o e inclus o de novas tecnologias sem ne cessidade de mudan as importantes no sistema j constitu do Al m disso h a ca pacidade de comunica o direta entre IEDs de qualquer fabricante em qualquer tempo de forma r pida e precisa para executar as fun es de monitoramento pro te o medi o controle e automa o do sistema O novo padr o baseia se num modelo de dados de objetos ou seja subdivi de as fun es mais comuns no sistema Esse agrupamento chamado de n s l gi cos ou LNs Do ingl s Logical Nodes Estes LNs nada mais s o do que pequenos agrupamentos de fun es n o necessariamente apenas um IED comuns de uma 6 2 Norma IEC61850 subesta o tais como disjuntores controladores e prote o tamb m a menor par te de fun es que pode trocar dados com outros objetos Essa troca de dados pa dronizada para cada n l gico e s o chamadas de servi os Isso garante a estabili dade dos servi os a longo prazo a adequa o para a evolu o das tecnologias de comunica o assim como satisfaz as necessidades do pr prio sistema Para preservar a interoperabilidade do sistema extremamente importante que o sistema de comunica o possa suportar desenvolvimento fu
65. trechos com falta e aumentar a confiabilidade de opera o num tempo bem 48 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce menor Com a automa o da subesta o de Nova Olinda grandes ganhos foram observados nesse sentido pois o sistema automatizado opera para o melhor de sempenho da subesta o melhorando consequentemente os indicadores de conti nuidade de energia el trica assunto principal quando se fala de concession rias de energia A quantidade de cabos foi drasticamente reduzida Os rel s se enxergam podendo agora interoperar e comissionar atividades caso haja alguma falha na aber tura de disjuntor N o existem mais cabos de liga o ponto a ponto entre os disposi tivos pois todos est o ligados na rede e apenas esse cabo necess rio para a co munica o dos dispositivos Um cabo de cobre deve ser usado para ligar o rel ao disjuntor respectivo A figura 32 mostra os pain is da antiga subesta o de Nova Olinda cost Figura 32 Antigos Pain is de Controle da Subesta o 49 4 Aplica o Subesta o de Nova Olinda Coelce Os pain is eram bem primitivos quando comparados ao sistema atual O pai nel a esquerda possui indicadores no cubo preto que sinalizavam quando um disjun tor disparava Contudo esse era a nica fun o desse cubo a indica o luminosa Outra grande vantagem do novo sistema est no comission
66. turo Para isso cada fun o no sistema de automa o baseado na IEC 61850 cuidadosamente estudada e independente Dessa forma caso haja moderniza o nos sistemas de comunica o n o dever haver mudan a significativa no hardware e software do SAS A norma estabelece os modelos de objetos testes e protocolos de forma a assegurar a interoperabilidade entre os IEDs Al m disso a norma inclui relat rios e servi os abstratos ACSI mapeamento para TCP IP testes de conformidades al m da linguagem SCL o que permite a flexibilidade das configura es e suas futuras reutiliza es A utiliza o de uma linguagem espec fica e orientada a objetos que a SCL para o processo de automa o abre o leque de possibilidades de configura es e reutiliza es do sistema Desta forma pode se garantir que a SAS seja uma plata forma aberta de prote o e automa o de subesta es independente do dispositivo e fabricante Observe na figura 2 a arquitetura simplificada de uma SAS conforme a norma IEC 61850 Esta o de Esta o de Trabalho Controle 1EC61850 i Cap D Barramento de Esta o baseado na IEC61850 1EC61850 Cap7 IEDs Transformadores de Corrente e Tensao equipamentos primarios digitais baseados na IEC61850 Figura 2 SAS conforme a IEC 61850 2 Norma IEC61850 Tr s n veis s o considerados sendo eles N vel Esta o N vel V o e N vel Processo As co
67. ue englo ba os seguintes pontos e Teste de interoperabilidade da LAN Ethernet verifica o da distribui o das mensagens GOOSE restritas a uma VLAN e assim verificar a contigura o dos switches Ethernet e Teste de interoperabilidade do controlador da subesta o HMI inclu indo datasets configurados envio de mensagens GOOSE controle dos equipamentos da manobra da subesta o e transfer ncia dos arquivos de dist rbios 35 3 Interoperabilidade e Teste de interoperabilidade dispositivo a dispositivo verifica o da re cep o das mensagens GOOSE enviadas durante o teste anterior de interoperabilidade e Teste de interoperabilidade de gateway de alguma varia o entre os pontos de dados e de controle expostos via IEC 61850 e a interface de comunica o IEC 60670 5 104 ou 101 ou outro protocolo utilizado para comunica o com o Centro de Controle e Teste de interoperabilidade das fun es de v o Checagem das fun es de prote o de cada tipo de v o e Teste de interoperabilidade de fun es entre v os verifica o das fun es distribu das de prote o e automa o e Teste de interoperabilidade das fun es entre os n veis v o e subesta o verifica o das fun es de supervis o e controle Para o in cio das atividades do teste deve se come ar pela montagem e con figura o da rede incluindo todos os equipamentos necess rios para a plena ativi d
68. uma equipe pode progra mar alguns detalhes que podem ser ignorados ou definidos de forma diferente por outras equipes o que geraria conflito de interoperabilidade H ainda a possibilida de de certas aplica es n o serem contempladas pela norma Al m de um SAS ser compat vel com a norma IEC 61850 devem ser forneci das informa es t cnicas importantes para assegurar a compatibilidade de uma ex pans o futura Entre essas informa es podemos destacar 19 3 Interoperabilidade e Identifica o precisa dos equipamentos prim rios indicadas no diagra ma unifilar e Grau de redund ncia desejado para a prote o e ndice de confiabilidade da Rede LAN e Lista de funcionalidades utilizadas descri o sucinta e desempenho das fun es dos IEDs Por outro lado uma outra importante caracter stica dos IEDs a execu o de suas fun es sobre uma rede local na subesta o a qual pode ser definida com SLAN que de alta velocidade Esse sistema de rede pr pria da subesta o permite a redu o dr stica de fi os da instala o melhoria do controle l gico e aumento da confiabilidade do sistema em fun o da instala o de comandos digitais Isso permite grande melhoria sem aumento nos custos j que estamos reduzindo cabos e equipamentos de convers o do sistema Entretanto se n o estiver devidamente configurada a rede n o possibili ta a comunica o dos equipamentos o que deixa o sistema inoperant

norma iec 61850 – novo padrão em automação de - DEE

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