TEMA: Automação e digitalização de usinas, subestações, redes de distribuição e instalações de grandes consumidores

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IT 155

TEMA: Automação e digitalização de usinas, subestações, redes de distribuição e instalações de grandes consumidores

Experiência na aplicação do IEC 61850 na especificação de um bay de linha

Carlos V. Cardoso Luiz Carlos Magrini Daniel Augusto Martins José A. Jardini Universidade São Paulo Universidade São Paulo Eletronorte Universidade São Paulo

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1_{Endereço: Av. Prof. Luciano Gualberto, Trav. 3, No 158, Sala A2-16, Cid. Universitária CEP: 05508-900. São}

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Experiência na aplicação do IEC 61850 na especificação de um bay de linha Carlos V. Cardoso, Luiz Carlos Magrini, Daniel Augusto Martins e José Antonio Jardini

Resumo

O padrão IEC 61850 visa obter interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes, bem como a integração de informações entre os sistemas de proteção, monitoramento, medição, controle e automação de subestações. Para tanto são definidos mecanismos para a modelagem das informações de campo por meio da tecnologia de orientação a objetos, também são padronizados modelos de comunicação, orientados tanto para facilitar a implementação de sistemas SCADA, quanto para aplicações de inteligência distribuída entre IEDs (Intelligent Etectronic Devices).

Estas características tornam o IEC 61850 o padrão do futuro, que permitira às concessionárias maior liberdade na compra de equipamentos, além de tirar um maior proveito da capacidade de processamento, cada vez maior dos dispositivos de campo. Por outro lado, além de especificar estes mecanismos, o IEC 61850 também possui um forte suporte para a descrição formal das subestações e sistemas de automação. É importante para as concessionárias entender estas partes do padrão, que facilitarão as tarefas de especificação e projeto dos sistemas de automação. Desta forma, o presente trabalho analisa desde o ponto de vista de usuário a experiência no projeto de um sistema piloto utilizando as ferramentas de especificação e descrição que o IEC 61850 oferece, particularmente será analisada a aplicação deste padrão para a automação de um bay de linha no contexto da configuração Barra Principal/Transferência visando a implementação de um sistema piloto

Palavras-Chave: IEC 61850, Automação de Subestações, Inteligência Distribuída, Orientação a Objetos e Especificação funcional.

1.0 INTRODUÇÃO

Neste trabalho são estudadas e discutidas sob o ponto de vista metodológico as vantagens que o IEC 61850 oferece para as etapas de especificação e projeto de sistemas de automação de subestações. Particularmente será analisada a aplicação deste padrão para a automação de um bay de linha de transmissão no contexto de uma configuração Barra Principal/Transferência, visando a implementação de um sistema piloto que é parte do projeto de pesquisa e desenvolvimento que esta sendo realizado em forma conjunta entre a USP e a Eletronorte. Neste artigo primeiramente é introduzido o padrão IEC 61850 bem como suas principais características. Em seqüência é descrita a metodologia utilizada na aplicação deste padrão na especificação e projeto de sistemas de automação de subestações, sendo esclarecida a luz do caso de estudo.

2.0 IEC 61850

O IEC – International Electrotechnical Commission, em 1995 reconheceu a necessidade de elaborar um padrão abrangendo redes de comunicação e sistemas em subestações, assim formou os grupos de trabalho: TC57, WG10, WG11 e WG12 com a missão de desenvolver um padrão que permita a interoperabilidade de IEDs de diferentes fabricantes e que ao mesmo tempo apresente um grau de confiabilidade adequado com suporte às funções especificas da automação elétrica, este padrão denominou-se IEC 61850 [1].

Diferentemente dos outros protocolos até agora disponíveis, orientados à aquisição de dados e comando remoto, o IEC 61850 visualiza a automação como um conjunto de funções que podem interoperar em forma distribuída, estas funções poderão estar alocadas em diferentes dispositivos físicos, os que poderão estar geograficamente distribuídos e conectadas em rede. Ao mesmo tempo procura-se utilizar estes mesmos princípios para a integração numa mesma rede de dispositivos de funções de medida, controle e proteção.

O objetivo principal do padrão IEC 61850 é permitir uma integração total das informações de campo usando padrões não proprietários, visando assim reduzir os custos de engenharia, comissionamento, monitoramento, diagnóstico e manutenção. Ao mesmo tempo este padrão deverá comprometer-se com as exigências de desempenho, suportando futuros desenvolvimentos

Do ponto de vista de projeto três são os mecanismos definidos pelo IEC 61850 que permitiram elaborar um projeto da automação de uma subestação: modelos de objetos, serviços de comunicação e linguagem SCL. A seguir uma breve descrição destes itens.

2.1. Modelo de Objetos

Como expressado anteriormente, o IEC 61850 visualiza a automação de uma subestação como um conjunto de funções que podem interoperar em forma distribuída. O IEC 61850 utiliza a tecnologia de orientação à objeto para definir uma modelagem de dados orientada à informação e não ao dispositivo nem ao protocolo [2], [3]. Desta forma, as funções de automação de subestações serão divididas em sub-funções ou “nós lógicos” (denominados na norma como LNs) que poderão ser alocados em diferentes dispositivos Lógicos (denominados na norma como LDs), por sua vez os LD serão alocados nos dispositivos físicos. Resumidamente, uma função de automação poderá ser implementada pela interação de LNs pertencentes a diferentes LDs e alocados em dispositivos físicos ou IEDs diferentes.

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Exemplos de LNs são a representação dos disjuntores e chaves (abreviado “XCBR”) e das funções de relé para a proteção de distância (“PDIS”). Estes elementos permitem criar os modelos de informação de um dispositivo real da subestação (ex. bay de linha).

Os LNs estão formados pela agregação de classes comuns de dados (CDC), as que por sua vez são compostas da agregação de unidades de dados (DOs)

.

2.2. Serviços de Comunicação

No IEC 61850 são especificados modelos de comunicação denominados ACSI (Abstract Communication Service Interface). Estes modelos podem ser agrupados em dois grupos [4]:

− Modelos do tipo Cliente-Servidor. Este modelo agrupa um conjunto de serviços orientados principalmente à realização das seguintes ações: acesso às informações, notificação automática de informações, sincronismo, comando, transferência de arquivos, seqüência de eventos.

− Modelos de comunicação de eventos. Inicialmente orientados a implementação das aplicações de proteção utilizando uma comunicação multicast peer to peer entre IEDs,

Na Tabela 1 são resumidos brevemente os serviços ACSI. TABELA 1. – Modelos e serviços ACSI.

Modelo Descrição

Servidor Representa o comportamento visível externo do dispositivo

Acesso a Dados Provê os meios para acessar os objetos de informação existentes em campo.

Dispositivo Lógico Representa um grupo de funções agrupadas como um dispositivo lógico

Nó Lógico Representa função específica do sistema de subestações ex. proteção de sobre-tensão.

Configuração do grupo de controle

Define como mudar os grupos de parâmetros ativos nos relés. Notificação Automática ou

Log

Descreve as condições para gerar notificações automáticas, seja periódicas ou disparadas por eventos, bem como o registro de eventos.

Transmissão de Valores amostrados

Transferência rápida e cíclica de amostras, ex. Transformadores de instrumentação.

Controle Descreve os modos de controle ex. Controle Direto ou SBO (Select Before Operation).

Sincronização Provê uma base de temporização para o sistema

Transferência de Arquivos Define o intercâmbio de grandes blocos de dados.

Sistema de transmissão por eventos GOOSE

Provê uma distribuição rápida e confiável de dados; intercâmbio de dados binários no modelo peer-to-peer entre IEDs

Os modelos de comunicação ACSI são descritos em função de serviços abstratos de comunicação, por exemplo o modelo de comunicação de acesso a dados, por ex. define os serviços GetDataValues, SetDataValues, utilizados para leitura e escritura de informações de campo.

2.3. Linguagem SCL

O IEC 61850 no volume 6 também define uma linguagem padronizada de configuração de Subestações denominada Substation configuration description language (SCL) esta linguagem tem seu escopo claramente restrito a dois propósitos [5]:

− Descrição das capacidades dos IEDs.

−

Descrição do Sistema

.

2.3.1. Descrição das capacidades dos IEDs.

O SCL é uma linguagem que possui a capacidade de descrever a modelagem de objetos mostrada na seção 2.1. Assim para IED serão mostrados os dispositivos lógicos LD, os nós lógicos LN, as classes comuns de dados CDC.

2.3.2. Descrição do Sistema.

A linguagem SCL possui os recursos necessários para a descrição funcional do sistema nos seguintes contextos:

− Estrutura primária do sistema: onde são descritos os equipamentos primários (ex. barras, linhas de

transmissão, transformadores, disjuntores, chaves seccionadoras) e sua conexão elétrica.

− Sistema de comunicação. Descreve a topologia das subredes e redes, bem como seus pontos de acesso

(portos de comunicação).

− Aplicações no nível de comunicação. Como os dados são agrupados e que serviços de comunicação

utilizam.

− Definição de tipos e instâncias dos nós lógicos e suas relações com os IEDs e os equipamentos primários nos bays de subestação.

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− Subestação: Os dispositivos do bay (dispositivos do processo), sua conexão, e a designação do

dispositivo e funções descritas. A designações são construídas de acordo a estrutura funcional do IEC 61346.

− Produto: padroniza os objetos relacionados ao produto como o IED e os nós.

− Comunicação: Este tipo de objetos relacionados como pontos de acesso, e descreve as conexões entre

IEDs indiretamente entre LN como clientes e servidores. 3.0 Metodologia de Projeto IEC 61850

A seguinte seção descreverá a metodologia adotada para a especificação e projeto de sistemas de automação de subestações, tomando como base a especificação da automação de um bay de linha utilizando o IEC 61850. A metodologia utilizada para a especificação e projeto visualiza a descrição do sistema de automação segundo três pontos de vista:

− Especificação funcional

− Requisitos de desempenho. − Etapa de Engenharia

Para efeito da especificação são necessárias unicamente as primeiras duas etapas, porém para efeito de projeto será necessário incluir a última etapa.

O caso de análise apresenta a configuração barra principal e de transferência conforme pode ser observado na Figura 1. O bay utilizado nesta descrição será o bay de linha Q2.

Bay Disjuntor

Interligação=Q1 Bay Linha=Q2

=QB1 =QB2 =QA1 =QB1 =QB2 =QA1 =QB3 LT

FIGURA 1.- Configuração Barra Principal/Transferência. 3.1. Especificação Funcional.

Esta descrição encarrega-se principalmente de especificar as funções de controle e proteção da subestação segundo os objetos definidos pelo IEC 61850. Além destes diagramas a especificação funcional deverá apresentar lista de serviços de comunicação que os IEDs deverão disponibilizar [6],[7].

3.1.1. Diagramas funcionais

Os diagramas funcionais IEC 61850 são análogos aos clássicos diagramas de proteção e controle que utilizam a norma IEEE c37.2, devendo mostrar as funcionalidades de proteção e controle do sistema como uma interação entre LN (nos lógicos). Os LNs permitem definir requisitos funcionais em forma padronizada sem fazer referência a qualquer implementação. Na Figura 2.a pode se observar a especificação funcional de um sistema de automação de bay de linha na forma convencional, especificando as funções de proteção proporcionadas pelos relés. Por outro lado, a especificação funcional da Figura 2.b mostra a interação entre as unidades funcionais ou nós lógicos padronizados no IEC 61850, independente de qualquer implementação, dando a liberdade ao provedor de adotar a quantidade e tipo de equipamentos mais adequadas desde que possuam as funções (LNs) especificadas na figura.

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. =QB1 =QB2 =QA1 =QB3 86 Int Ma AEq 59I 85 27L 27B 27_WI 21N 67N 50 98 62 68 21 96 79 25 59T 59I 27L 27B 27 WI 59T 25

PDIS RCPW PIOC RBRF PTOV PDEF RPSB RSYN RDRE RFLO PTUV XSWI XCBR =QB1 =QB2 =QA1 TCTR XSWI XSWI CSWI CILO CSWI RREC CSWI CSWI TPTR MMXU =QB3 3.1.2. Modelo de Objetos

A listagem dos objetos é análoga à clássica “lista de pontos” que acompanha a especificação de um projeto, por outro lado esta lista deverá estar formatada segundo os objetos definidos nos documentos IEC 61850-7-1, IEC 61850-7-3 [7]. Assim todos os LNs e seus atributos deverão ser incluídos nesse modelo. Na Tabela 2 são apresentados os atributos de um LN: XCBR (modelo do disjuntor).

Tabela 2. – Modelo de objetos LN: XCBR

LN XCBR – Disjuntor

Descrição Nome do Objeto T CDC M/O

Informação Básica do Nó Lógico

Modo Mode ISC M

Comportamento Beh ISI M

Estado do Nó Lógico Health ISI M

Dados de Placa Name PLATE M

Operação local Loc SPS M

Saúde do Equipamento Externo EEHealth ISI O

Dados de Placa do Equipamento Externo EEName PLATE O

Contador de Operações reinicializável OperCntRs ISC O

Dados de Controle

Posição do Disjuntor Pos DPC M

Bloqueio de abertura BlkOpen SPC M

Bloqueio de fechamento BlkClos SPC M

Mola carregada ChMotEna SPC O

Informação de Estado

Capacidade física de Operação do Disjuntor CBOpCap ISI M

Capacidade de comutação em sincronismo com a tensão POWCap ISI O

3.1.3. Lista de serviços

De acordo com este item é importante na especificação de um sistema de automação definir, independentemente da alocação ou quantidade de IEDs, a lista dos modelos de comunicação necessários [7]. Por exemplo, no contexto do modelo de comunicação cliente-servidor, um dos principais serviços utilizados é o de notificação automática que permitirá a configurar a atualização do sistema SCADA, e se houver necessidade de comandar remotamente os disjuntores o serviço de comando SBO (Select Before Operation) também deverá ser incluído.

Como um exemplo, na Tabela 3 é mostrada a especificação dos modelos de comunicação necessários para a implementação do bay de linha.

FIGURA 2- (a) Descrição convencional da

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Tabela 3. Especificação de modelos de comunicação para automação “Bay de Linha”.

Modelo Obrigatório (M)/Opcional (O)

Servidor M

Acesso a Dados M

Dispositivo Lógico M

Nó Lógico M

Configuração do grupo de controle M

Notificação Automática ou Log M

Transmissão de Valores amostrados O

Controle M

Sincronização M

Transferência de Arquivos M

Sistema de transmissão por eventos GOOSE M

3.2. Requisitos de desempenho

Nesta etapa são especificadas as características das interfaces de comunicação em função de quesitos como tempo de resposta e taxa de transmissão. Nesta etapa também é definida segurança que os IEDs deverão oferecer.

3.2.1. Tempo de resposta

O protocolo IEC 61850 divide as mensagens de comunicação em classes cujos requisitos de tempos vão de menores que um até maiores que 1000 ms, como mostrados na Tabela 4, refletindo as necessidades dos fluxos de comunicação de uma subestação. Por outro lado também são definidos esquemas de prioridades para garantir estes tempos de resposta.

Tabela 4 Faixa de requisitos de tempo para cada interface [9]

Tipo de fluxo <1ms 1ms 10ms 100ms 1000ms >1000ms

Transmissão das amostras de corrente e tensão

Comunicações entre os IEDs do bay Comunicação entre bays

Comunicação entre bay e controle da subestação

Comunicações entre subestações

Comunicações entre a subestação e o Operador da rede

No presente caso, bay de linha, os equipamentos deverão implementar as classes de comunicação com tempos de transmissão de no mínimo 1ms. Não será considerado o fluxo de informação que descreve a comunicação das amostras de corrente ou tensão aos diferentes relés que os utilizaram, com requisito de tempo menor que um milisegundos (<1ms).

3.2.2. Tipo de rede e Taxa de transmissão

O presente projeto levou em consideração as simulações de desempenho de comunicações em subestações padrão (345-138Kv), apresentadas no IEC 61850-5 [8]. Neste estudo foi avaliado o comportamento de quatro tipos de redes LAN: Ethernet com hub de 10MB; Ethernet switchada de 10MB; Ethernet com hub de 100MB e Ethernet switchada em 100MB. Destas quatro redes, três conseguiram enviar o numero de mensagens necessárias em forma satisfatória: Ethernet switchada de 10MB; Ethernet com hub de 100MB e Ethernet switchada em 100MB.

Para efeitos da especificação do bay de linha foi selecionada a rede Ethernet switchada em 100MB, por ser a mais rápida e a melhor alternativa no tratamento das colisões.

3.2.3. Segurança

No que diz respeito à segurança considerou-se como regra utilizar valores típicos de probabilidade de falha para os equipamentos de proteção (10-5/h e 10-6/h) [6].

Tabela 4.- Resumo dos requisitos de Desempenho.

Requisito Faixa Unidades

Requisito de tempo 1 ms

Ethernet LAN comutada (utilizando switchs) 100 MB

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4.0 Etapa de Engenharia

A metodologia mostrada no ítem anterior seria suficiente para especificar a compra de um sistema. Porém para o desenvolvimento do projeto a especificação funcional terá de ser detalhada com a alocação dos LNs nos IEDs, em diagramas “finais” de controle e proteção como mostrado na Figura 3. Esta alocação dependerá de fatores como: desempenho dos equipamentos, disponibilidade no mercado, relação custo beneficio e até política da empresa.

Particularmente no caso de estudo um dos principais empecilhos do projeto é que ainda não existem no mercado os equipamentos que implementem todos os nós lógicos segundo a concepção do IEC 61850. Por exemplo os blocos TCTR e TVTR, deveriam ser implementados em equipamentos conhecidos como Merging Unit, encarregados de difundir as medidas de corrente e tensão a todos as demais funções via mensagens de rede. Porém nas pesquisas realizadas não se encontrou tais produtos no mercado internacional e muito menos no mercado local. Assim foram especificados dois equipamentos: um relé de proteção distância e uma unidade controladora de bay, ambos com suas respectivas entradas de tensão e corrente, como mostrado na Figura 3.a. Partindo dos diagramas unifilares finais (Figura 3.a) a linguagem SCL descreverá em primeira instancia os equipamentos primários e sua conexão elétrica, os IEDs, com seus respectivos LNs. Na Figura 3.b é dado em forma resumida o arquivo SCL correspondente a configuração do bay da Figura 3.a.

CSWI XSWI XCBR CSWI CILO CSWI XSWI CSWI XSWI PDIS PIOC RBRF RCPW PTUV PDEF RPSB RSYN RFLO RREC =QB1 =QB2 =QA1 TCTR RDRE TPTR =QB3 Relé A Controle de Bay TCTR TPTR MMXU

As denominadas “Restrições particulares” incluem aspectos como topologia e extensão geográfica, incluindo: a existência de prédios, a distribuição física dos componentes do bay, a blindagem da sala de operação etc. Estas restrições têm a capacidade de influenciar a arquitetura do sistema considerando a possível alocação dos IED e o enlace de comunicação resultante [6].

Outras condições de contorno são definidas pelas interfaces para sistemas auxiliares, para os disjuntores e a rede do centro de controle. Os requisitos de desempenho junto com as restrições particulares definem a arquitetura física do sistema.

5.0 Conclusões

O IEC 61850 disponibiliza mecanismos para padronizar o processo de especificação, no que diz respeito a funcionalidades e desempenho. Também facilita as tarefas de projeto, principalmente da engenharia ao prover uma linguagem de descrição independente, que permitirá a configuração dos IEDs quaisquer que sejam os fabricantes. Além disso; a linguagem SCL permite descrever tanto a configuração da subestação como da rede de comunicações, formalizando a tarefa de projeto da rede de automação.

A abstração das funções independentemente do equipamento, permite orientar o processo de especificação à função, dando ao provedor ou a mesma concessionária maior liberdade na definição da implementação final. Uma vez que o padrão IEC foi aprovado ha pouco tempo, ainda não existe uma variedade de equipamentos que possibilite sua plena utilização.

…

Figura 3-(b) Resumo do arquivo SCL. FIGURA 3- (a) Especificação funcional final da

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6.0 Bibliografia

[1] Shepard, B. Jansen, M. C. Schubert, M. Standardized Communication in Substations. In: IEE Seventh International Conference on Development in Power System Protection, 2001, Amsterdam 2001. Proceeding.Amsterdam: IEE, 2001. p 270-274.

[2] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 7-1: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Principles and models; IEC 61850-7-1. 2001.

[3] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 7-3: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Common data classes; IEC 61850-7-3. 2001.

[4] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Abstract communication service interface (ACSI); IEC 61850-7-2. 2001

[5] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Parte 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs; IEC 61850-6. 2002.

[6] K. P. Brand, C. Brunner, W. Wimmer. Desing of IEC 61850 based Substation Automation Systems According to Customer Requirements. In: Cigre 2004.

[7] J. Marco, K. P. Brand. The Specification of IEC 61850 Based Substation Automation Systems. In: DistribuTech Conference 2005. San Diego, 2005. Proceeding. San Diego: Utility T&D. 2005.

[8] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 5: Communication Requirements for Functions and Device Models; IEC 61850-5. 2001. [9] CIGRE WG34.03. Communication Requirements in Terms of Data flow within Substation/Besoins em

communication exprimés en flux de données à l´intérieur des postes, ELECTRA No 173, Ago. 1997. [10] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in

substations. Part 7-4: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Compatible logical node classes and data classes; IEC 61850-7-4. 2001.