Benefícios da utilização da Norma IEC para coleta de oscilografias

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1 XI SIMPÓSIO DE AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS 16 a 19 de Agosto de 2015 CAMPINAS - PR Benefícios da utilização da Norma IEC para coleta de oscilografias Alexandre Fernandes Onça Siemens Vinicius Vianna de Barcellos Dalri State Grid Brazil Holding SUMÁRIO A evolução dos microprocessadores permitiu a digitalização das informações nas subestações e ao mesmo tempo gerou diversidades tecnológicas que isolaram os equipamentos em suas funções específicas. Logo, as subestações legaram protocolos e redes que variavam de especificação conforme os padrões utilizados pelos fornecedores e com isso diversos gateways e conversores eram necessários para programar um sistema funcional. A norma IEC surgiu como motivadora da cultura de interoperabilidade de equipamentos e funções. Esta prevê não só a integração dos equipamentos de forma padronizada via redes Ethernet, como também dos aspectos qualitativos das ferramentas de desenvolvimento e configuração. Em outras palavras, podemos modelar os dados do processo independentemente do meio de comunicação utilizado no momento, o que a torna a prova do futuro. O objetivo deste paper é citar os benefícios da norma IEC mostrando a eficácia das redes ethernet para a coleta de oscilografias, evidenciando os benefícios financeiros, operacionais e técnicos de sua utilização. PALAVRAS CHAVE Norma IEC 61850, Redes Ethernet, Transferência de Oscilografia via MMS 1

2 1. Introdução Com a produção em larga escala dos circuitos integrados e o surgimento de poderosos microprocessadores, notamos uma rápida ascensão dos equipamentos secundários da subestação de energia elétrica: de dispositivos eletromecânicos para dispositivos digitais. Ao longo do tempo, diversas gerações de equipamentos foram instaladas, cada qual suprindo as necessidades do sistema isoladamente, como por exemplo: relés de proteção, controladores de vão, oscilógrafos, medidores de faturamento, etc. Somando-se ao fato dos fabricantes desenvolverem ou adotarem padrões distintos de comunicação para os dispositivos, tínhamos como resultante um sistema de baixo custo-benefício e um cenário complexo de atuação para os mantenedores. A figura 1 abaixo ilustra um sistema digital com diversidade de padrões: Figura 1 - Subestação e sua diversidade de linguagem Muitos sistemas de controle e proteção de subestações de energia elétrica, principalmente os que utilizam redes seriais, compõem suas arquiteturas de duas redes distintas: A rede de supervisão e controle, onde trafegam dados do sistema digitais para o supervisório e; A rede de serviço, onde é comum emprega-la para parametrização de relés de proteção e coleta de registros de oscilografias. Isto se deve ao fato de que, como a coleta de oscilografia é dependente do protocolo utilizado, ficava por sua vez dependente da tecnologia de comunicação empregada, ou seja, era quase sempre necessário incluir à arquitetura adaptadores e gateways para cada modelo de relé de proteção. Como motivação principal, a norma IEC planeja viabilizar a interoperabilidade de funções e equipamentos de diversos fabricantes, definindo não somente comunicação, mas também aspectos qualitativos das ferramentas de desenvolvimento, medidas para gerenciamento da qualidade e configuração. O objetivo da norma é identificar funções dentro de uma subestação e, baseado e suas necessidades, definir corretamente os requerimentos da comunicação sem limitar ou definir as funcionalidades dentro de uma subestação. Como benefício da utilização da norma IEC 61850, podemos modelar os dados do processo independentemente do meio de comunicação utilizado no momento, o que a torna a prova do futuro IEC e o padrão Ethernet A norma prevê a utilização do padrão ethernet para a comunicação por prover a estrutura essencial e estratégica de integração entre IEDs (Intelligent Eletronic Devices) na planta. O padrão Ethernet foi escolhido para atender às necessidades e exigências do ambiente de subestação de maneira a apoiar o crescimento em longo prazo, junto com as necessidades de desempenho, de forma organizada e eficaz em termos de custos. Tem ainda a vantagem de suportar múltiplas aplicações ao mesmo tempo, mesmo em necessidades muito diferentes [5]. As redes Ethernet possuem como fatores de sucesso [5]: Flexibilidade: ser capaz de acompanhar o crescimento do sistema assim que necessário; Performance: possuir comprimento de banda suficiente e ser capaz de priorizar o tráfego entre aplicações com o intuito de cumprir os requerimentos necessários de aplicações críticas como proteção e controle; Confiabilidade: manter o sistema disponível mesmo em caso de falhas, graças aos algoritmos de redundância disponíveis como o RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), PRP (Parallel Redundancy Protocol) ou HSR (High Available Seamless Redundancy) [6]. 2

3 2. Transferência de arquivos 2.1. Tempo de transferência O capítulo 5 da norma [1] define como tempo de transferência a completa transmissão de uma mensagem, incluindo o tempo necessário para o manuseio em ambos os lados. De acordo com a figura 2 abaixo, a contagem inicia-se do momento que o publicador coloca a mensagem no topo da pilha de transmissão até o momento que o recebedor extrai a informação Tipos de mensagens Figura 2 - Definição de tempo de transferência, Cap 5 página 45 As mensagens são classificadas e agrupadas em tipos, que variam de acordo com a prioridade de seu conteúdo (figura 3) [7], comprimento e condições extremas para o tempo de transferência e segurança. O tipo de mensagem pode variar dependendo de seu propósito na subestação e no sistema (figura 4)[3]. Figura 3 - Tipos de mensagens Figura 4 - Mensagens e serviços, Cap 8 pagina 19 Daremos ênfase ao grupo do tipo 5, a qual contemplam as mensagens de troca de arquivos grandes como os registros de oscilografias e qualidade de energia. De acordo com o capítulo 5 da norma, os dados a serem enviados são divididos em blocos de comprimento limitado para não comprometer as outras atividades da rede e com tempos de transferência não críticos (maior ou igual a 1000ms) Verificando disponibilidade do recurso de transferência de arquivos no IED O capítulo 10 da norma [4] define os métodos e casos abstratos para os testes de conformidade dos equipamentos utilizados nos sistemas de automação de subestações, além de certificar também a concordância com os requerimentos definidos no capítulo 5. Os testes são divididos entre: Casos positivos: a qual certifica a disponibilidade dos recursos em questão e; Casos negativos: que certifica o correta resposta do sistema ou do equipamento em relação a serviços não implementados ou a resposta a serviços solicitados que estejam em desacordo com a norma. 3

4 Figura 5 Norma IEC Capitulo 10, página 36 Na figura abaixo, temos a certificação do KEMA para a família de relés 7SJ6XX da Siemens. Como podemos notar nas figuras 6 e 7, os equipamentos foram certificados para a transferência de arquivos nos testes Ft1, Ft2ab, Ft4 e F1N1ab. Figura 6 - Certificação KEMA Figura 7 - Serviços certificados 4

5 3. Comparação do tempo de transferência de arquivos via Ethernet x Serial 3.1. Exemplo de arquiteturas antes e depois da utilização do IEC A figura abaixo ilustra a concepção da arquitetura da rede de serviço serial. Devido ao receio de congestionar o fluxo de dados da rede de supervisão e controle, muitos clientes solicitam que esta rede seja projetada separadamente. Este exemplo utiliza uma rede serial RS485 com conversores eletro-óptico instalados em todos os painéis de controle. Figura 8 - Exemplo de arquitetura com coleta de oscilografia via rede serial A próxima figura ilustra as modificações de projeto e as melhorias alcançadas. A aquisição de oscilografia é realizada pela mesma rede de supervisão e controle, ou seja, pela rede IEC 61850, evitando-se futuras despesas com conversores sobressalentes, cabos, conectores e mão da obra de mantenedores. Figura 9 - Exemplo de arquitetura com coleta de oscilografia via rede Ethernet 3.2. Exemplo comparativo de cálculo de desempenho Ethernet x Serial Supondo um caso hipotético de uma perturbação no sistema elétrico onde determinada Subestação de Energia projetada com três saídas de linhas seja desligada por sobretensão (Funções de proteção 59I ou 59T, sobretensão instantânea e temporizada respectivamente) de todas as proteções das linhas desse terminal (principais e alternadas) com envio de transferências de disparos para os terminais remotos. Esta ocorrência pode gerar até 12 registros de oscilografias, quatro por Linha de Transmissão. Considerando-se que cada registro de perturbação gerado pelo IED de proteção ocupe um tamanho de 50 Kbytes cada, temos um total de 600 Kbytes de informações a serem obtidas dos IEDs. Tabela 1 - Tempo de transmissão de dados 5

6 Além do baixo desempenho nas transferências de arquivos, comprovado pelos resultados apresentados na tabela 1, as redes seriais ainda contam com o retardo das transferências causado pelo tempo de varredura que se estende proporcionalmente ao tamanho da rede. A norma IEC conta com o auxilio do Logical Node RDRE (Disturbance Recorder Function) [2], que possui um ponto de status mandatório que reporta a ocorrência de um novo registro (vide tabela 2). Sendo assim, o servidor de oscilografias pode iniciar a transferência dos dados sem a necessidade de varrer a rede periodicamente em busca de novos registros. Tabela 2 - IEC cap 7-4 pág Benefícios da Utilização da Norma IEC para coleta de oscilografias Benefícios Financeiros Facilidade no compartilhamento de informações geradas em distúrbios dos ativos de responsabilidade da empresa, devido à fácil interação entre servidor de oscilografia, relés, rede de automação e transporte de arquivos. Hoje, o cenário das empresas de transmissão de energia tem como premissa a rápida tomada de decisões diante de distúrbios que causam indisponibilidade de equipamentos e que podem gerar como consequência o pagamento de multas (PV parcela variável). Rapidez na disponibilização de informações, pois os registros gerados automaticamente pelos relés de proteção são disponibilizados e coletados pelo servidor de oscilografia instantaneamente após a ocorrência. Estes registros ficam concentrados neste servidor e pode ser disponibilizados na rede corporativa, fazendo com que a análise do distúrbio e a tomada de decisão sejam realizados o mais breve possível após a ocorrência. Benefícios Operacionais Eficácia no armazenamento de informações, pois os registros de oscilografia são concentrados em apenas um servidor, facilitando o processo de backup através do próprio sistema operacional em locais seguros. Segurança das informações já que os registros são armazenados em servidor (computadores industriais com alta disponibilidade) protegido por Firewall e com diferentes privilégios de acesso que variam de acordo com a posição hierárquica do usuário dentro da companhia. Benefícios Técnicos Diminuição na manutenção de equipamentos uma vez que os conversores eletro-ópticos, componentes da rede serial, são instalados em maior número e consequentemente podem aumentar as chances de falhas. A rede serial pode falhar por completo caso apenas um conversor entre em curto por exemplo. Há a necessidade de possuir reserva técnica (sobressalente) suficiente em estoque para eventuais substituições. Compatibilidade com os equipamentos já existentes na rede de supervisão e controle, sem necessidade de reconfiguração dos dispositivos existentes no sistema. 6

7 5. Conclusão A norma IEC permite que os IEDs utilizem toda conveniência das redes Ethernet como meio de coleta de oscilografias, além de outros benefícios em relação a serviços como sincronismo de tempo e mensagens GOOSE. Com a simplicidade de instalação das redes Ethernet e do IEC 61850, os projetos das redes de comunicação tornam-se menos complexos e ganhamos produtividade em comissionamentos e intervenções. Já em futuras instalações ou modernizações, temos a vantagem de manter os equipamentos existentes disponíveis enquanto inserimos os novos na rede. As tabelas comparativas das características da rede Ethernet x rede Serial, mostram superioridade e eficiência da rede Ethernet e provam que os serviços de supervisão e controle podem compartilhar a mesma rede com os serviços coleta de oscilografia sem danos a ambas as partes. Em relação aos métodos de coleta de Oscilografia, a norma IEC padroniza a transferência de dados via protocolo MMS, mantendo a interoperabilidade proposta como motivação inicial. Outros padrões de serviços seriais, ou até mesmo Ethernet como FTP ou HTTP, não alcançam a mesma eficiência, pois diminuem a possibilidade de concentrar os registros de oscilografias uniformemente em apenas um servidor e podem a gregar custos adicionais de conversores de meio físico e redes paralelas. Do ponto de vista financeiro, custos com equipamentos sobressalentes, mão de obra de instalação e manutenção e multas por indisponibilidade de equipamentos de pátio são poupados devido à rapidez e alta disponibilidade dos dados do processo para tomadas de decisão. 7

8 BIBLIOGRAFIA 1. International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 5: Communication requirements for functions and device models, pag International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 7-4: Basic communication structure for substation and feeder equipment Compatible logical node classes and data classes, pag International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 8-1: Specific Communication Service Mapping (SCSM) Mappings to MMS (ISO and ISO ) and to ISO/IEC , pag International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 10: Conformance Tests, pag R. Kukreja, Utilizing IEC 61850, Ethernet and IP Standards for Integrated Substation Communications, Seminar- IT in Power Sector Performance Upgradation including Automation December 11-12, 2008 IHC, New Delhi, India 6. R. Moore, M. Goraj, Ethernet for IEC61850, PAC WORLD, Setembro O. Rein Junior, Um modelo de integração entre padrões IEC e IEC 61970, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,