Sistemas de Automação de Subestações em IEC 61850

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1 Process Automation Sistemas de Automação de Subestações em IEC de novembro de 2012 Slide 1

2 IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC O que é uma subestação? Conceitos Fundamentais da Norma IEC Arquitetura Básica Integração da Planta de Processos e Elétrica Recursos de gerenciamento e Monitoramento Plantas com automação das Subestações em IEC Apresentação do simulador 20 de novembro de 2012 Slide 2

3 IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC O que é uma subestação? Uma Subestação é uma instalação elétrica de alta potência, contendo equipamentos para transmissão, distribuição, proteção e controle de energia elétrica (Fonte: Wikipedia).

4 IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC Onde são usadas as Subestações? São utilizadas como o ponto de controle e transferência em um sistema de transmissão e distribuição elétrica Por que são usadas as Subestações? As subestação direcionam e controlam o fluxo energético, transformando os níveis de tensão e funcionando como pontos de entrega para consumidores industriais e equipamentos dentro de empresas de processo.

5 IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC Por que fazer a automação de uma subestação? Os elementos elétricos das subestações não são ativos, precisam que algum equipamento comande a sua operação, que pode ser uma manobra (liga, desliga), ou proteção quanto a uma falha da instalação Como se faz automação de uma subestação? Geralmente a automação, proteção e controle de uma subestação é realizada através dos relés de proteção.

6 IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC O que é um relé de proteção? Quais funcionalidades? São equipamentos microprocessados que são responsáveis por: Proteção elétrica dos equipamentos estáticos da Subestação Ex Sobrecorrente, Subtenção, Frequência, etc Monitoramento da qualida de energia Ex Consumo, disturbios harmonicos e qualidade de energia Controle de equipamentos Ligar e desligar, manobras em manutenção e parada de emergência Nota: Na IEC os relés de proteção são conhecidos por IED (Intelligent Equipment Device)

7 IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC61850 São os principais componentes do sistema de automação elétrico IEDs são os componentes responsáveis por proteção e supervisão dos equipamentos da rede elétrica X Corrente elétrica IED Disjuntor A corrente aumentou! Disjuntor, abra! Carga November 20, 2012 Slide 7

8 IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC Quais as vantagens da automação das subestações? Segurança do operador / Conformidade a NR 10. Menor tempo de parada e reestabelecimento. Descarte de cargas

9 Introdução Conceitos Fundamentais Evolução na Automação de Subestações: Dispositivos eletrônicos para controle e proteção (IEDs) Conseqüências: Comunicação entre equipamentos: Protocolos proprietários por fabricantes e diversos padrões Necessidade de padronização 20 de novembro de 2012 Slide 9

10 Need for a global Substation Automation Standard State before IEC STATION LEVEL HMI Station computer Station gateway STATION BUS MODBUS DNP LON PROFIBUS / BAY LEVEL Protection IED Control IED Protection & Control IED Protection IED Control IED PROCESS BUS PROCESS LEVEL Switchgear/Switchyard Switchgear/Switchyard Switchgear/Switchyard Serial communication for Substation Automation is recognized for some time However: A lot of different protocols and hardwiring used Poor interoperability between different vendors Large engineering, installation and maintenance costs The global, highly competitive market requests a standard for competitive performance and cost reduction

11 Introdução a IEC61850 Benefícios da Padronização Redução de Cabeamento Redução do esforço de Engenharia Redução do tempo de comissionamento Redução de custo do tempo de vida da planta: Sobressalentes Treinamentos November 20, 2012 Slide 11

12 Introdução Norma IEC principais objetivos: Interoperabilidade Liberdade de configuração Estabilidade a longo prazo É mais que um protocolo: padronizar Engenharia e Configuração de Automação de Subestações Redução de custos no projeto: Engenharia de Sistema e Integração de Dispositivos mais eficientes Reduz esforços de projeto e comissionamento Menores custos de infra-estrutura de comunicação, manutenção e instalação Cabeamento simplificado Protocolos de comunicação de alta performance conectam os IEDs Informação disponível com integridade 20 de novembro de 2012 Slide 12

13 Conceitos Tipos de Comunicação - Vertical Station Computer (IEC OPC Server) MMS Control Protection Control & Protection Control Protection Process Interface Process Interface Process Interface 20 de novembro de 2012 Slide 13

14 Conceitos Tipos de Comunicação - Horizontal Station Computer (IEC OPC Server) GOOSE Generic Object Oriented Substation Event Control Protection Control & Protection Control Protection Process Interface Process Interface Process Interface 20 de novembro de 2012 Slide 14

15 Communication Services Conventional hardwiring for horizontal communication Local SCS Local SCS External signals Station bus External signals Interlocking, shared voltage signals Copper-wired inter-bay signals like: Time synch, Protection blocking, Control interlocking

16 Communication Services GOOSE for horizontal communication Local HMI Control system - SCS & GW Station bus IEC Monitoring, control, settings Interlocking, shared external signals Time synchronization External signals Inter-bay signals using IEC and GOOSE

17 800xA Gerenciamento de dispositivos IEC61850: Integração Horizontal - real time application 800xA MMS GOOSE IEC68150 IEC61850 Vertical - A/E, Condition Monitoring, Faceplate Operation, Disturbance Recording November 20, 2012 Slide 17

18 Comparativo IEC X MODBUS e PROFIBUS Norma IEC Bloqueio de atuação Sim, eu estou! Eu vou bloquear o Instantâneo de sobrecorrente block-phlptoc (50) Tempo do operação da função instantanea da proteção de sobrecorrente (REF615 GOOSE approach) X X IEC Margem segura, ex. Atraso na operação devido a saturação do TC Proteção de sobrecorrente começa a atrasar 40ms 20ms Reatardo do tempo do estágio de block da sobrecorrente 5ms Quem está interessado? PHLPTOC-start (50) Tempo da mensagem GOOSE (Classe 1) ALL TOGETHER <3ms ~70ms November 20, 2012 Slide 18

19 Comparativo IEC X MODBUS e PROFIBUS Norma IEC Falha de Disjuntor OK, Eu ouvi! Eu abrirei o Meu disjuntor X REF615 IED B X REF615 IED A GOOSE message Ao detectar uma falha no alimentador de saída o IED B envia comando de disparo para o disjuntor B e inicia a função de proteção contra falha do disjuntor O disjunto B falha na abertura A função de proteção contra falha do disjuntor do IED B envia um comando de disparo para a IED A usando GOOSE O uso da comunicação GOOSE elimina a necessidade de cabeamento dedicado A proteção contra falha do disjuntor pode ser adicionada sem a troca dos cabos e com um mínimo de perturbações no do processo Meu disjuntor não está abrindo! Acionar a função de falha de disjuntor November 20, 2012 Slide 19

20 Comparativo IEC X MODBUS e PROFIBUS Norma IEC Bloqueio e Falha de atuação November 20, 2012 Slide 20

21 Conceitos Estrutura de dados: Logical Nodes Exemplo: operação (comando) de um disjuntor IHMI CSWI XCBR Comando executado Comando Disjuntor fechado Fechar Disjuntor Interface física Sistema Controle Campo

22 Introdução ao IEC Logical Nodes Data Object Data Attributes q stval stval (0,1,2 ou 3) = intemediate, off, on, bad-state Pos Pos Logical Nodes XCBR1 XCBR1 Logical Device LVD97010MCADCTRL1 Physical Device LVD97010MCAD (network address) LVD 97010MCAD. LVD MCADCTRL1. XCBR1. Pos.stVal = Status value of position of circuit breaker #1 November 20, 2012 Slide 22

23 Introdução ao IEC Estrutura de dados: Logical Nodes Tabela 1. Grupos de Logical Nodes definidos na norma IEC /2003 Fonte: IEC Part 5 20 de novembro de 2012 Slide 23

24 Introdução ao IEC Logical Nodes Alarm handling: CALH Interlocking: CILO Cooling Group Control: CCGR Point-on-wave switching: CPOW Switch controller: CSWI Circuit breaker: XCBR Circuit switch: XSWI Generic process I/O: GGIO Instantaneous overcurrent: PIOC Time overcurrent: PTOC Voltage controlled time overcurrent: PVOC Over power factor: POPF Under power factor: PUPF Overvoltage: PTOV Ground detector: PHIZ Phase angle measuring: PPAM Over frequency: PTOF Under frequency: PTUF Rate of change of frequency: PFRC Differential: PDIF Motor restart inhibition: PMRI November 20, 2012 Slide 24 Motor starting time supervision: PMSS

25 Introdução ao IEC Engineering Workflow (geral) LINHA DO TEMPO Projetista do Sistema de Controle/Supervisão 2) Configurações da Rede de IEDs: - Estrutura/Diagrama da Rede - Diagramas Unifilares 4) Mapeamento da Comunicação na Rede - Troca de Mensagens MMS e GOOSE 4 ) Mapeamento da Comunicação na Rede: - Troca de Mensagens MMS e GOOSE Interface/Troca de info: Cliente Estrutura dos IEDs em Logical Nodes Organização da Rede de IEDs, com a divisão de LNs, tags e IPs Arquivos.icd e Mapeamento da Troca de Dados (MMS, GOOSE) para cada IED Arquivo.scd da rede inteira Arquivos.icd/.cid/.scd revisadospara cada IED ciclo Arquivo.scd da rede inteira revisado Projetista/Configurador dos IEDs 1) Estruturação dos IEDs, em Logical Nodes, de acordo com função 3) Configuração da capabilidade de cada IED, na ferramenta fornecida pelo fabricante 5) Configuração da lógica e recepção/envio de dados de cada IED, na ferramenta fornecida pelo fabricante 5 ) Configuração da lógica e recepção/envio de dados de cada IED, na ferramenta fornecida pelo fabricante 20 de novembro de 2012 Slide 25

26 Introdução ao IEC Conceitos básicos da norma IEC61850: Tipos de arquivos Arquivo.icd Informação de um único IED, com: Obrigatório: Logical Nodes disponíveis Opcional: Data Sets; Control Blocks; Tag; IP Arquivo.scd Configuração de toda uma subestação Mapeamento da comunicação entre IEDs e entre IED e Sistema de Supervisão e Controle 20 de novembro de 2012 Slide 26

27 Introdução ao IEC Problemas na importação dos arquivos ICD e SCD ICD SCD 20 de novembro de 2012 Slide 27

28 Introdução ao IEC Comunicação GOOSE Grande trunfo da norma IEC61850 Mensagens de trip mais rápidas que fiadas Alguns equipamentos: somente MMS Checar certificado KEMA Checar Services no arquivo ICD Alguns falam via GOOSE não crítico Classe de mensagens P1B Checar manual 20 de novembro de 2012 Slide 28

29 Introdução ao IEC Pontos Fortes Interoperabilidade Capacidade de dois ou mais IED s trocar informações e posterior uso em funções específicas (IEC ) Intercambiabilidade Habilidade de substituir um IED de um fabricante por outro sem prejuízo ao sistema (IEC ) November 20, 2012 Slide 29

30 Equipamentos e Instalações Ethernet A norma IEC61850 não entra no mérito de instalações Estabelece que será seguido o padrão Ethernet Garantia de estabilidade a longo termo ( future proof ) Quaisquer soluções Ethernet atendem à IEC61850 Fibras óticas (Multimodo; Monomodo; conectores SFP) Switches e Roteadores Única restrição: 100 Mb/s apenas 20 de novembro de 2012 Slide 30

31 Equipamentos e Instalações Switches 03 requisitos essenciais: Quality of Service (QoS): Priority Tagging Protocolo de Recuperação de rede: Rapid Spanning Tree Gerenciamento de VLAN (para GOOSE) Exigências por conta do ambiente de instalação: SE s Robustez pelo ambiente Suportar grande faixa de temperaturas Sem partes móveis - Exaustores (norma de Subestações) Necessidade de aplicação: Recuperação de anel/rst rápida (< 50 a 100ms)

32 Equipamentos e Instalações GPS Sincronismo de horário Grande importância organização de eventos No passado: diversidade de protocolos de sincronismo de tempo Norma IEC61850 estabelece o protocolo SNTP Opera sobre Ethernet mesmo meio físico Tempos de até 1ms Aparelhos GPS Sincronismo absoluto na planta inteira, no mundo inteiro

33 Conceitos Arquitetura Básica Ligação típica IEDs em estrela até o switch Switches em anel: economia no uplink, e confiabilidade na troca de informações Mais comum em grandes subestações

34 Recursos de gerenciamento e monitoramento Power Managment Load Shedding Monitoramento das causas de sobrecarga e tomada de medidas para minimizar a diminuição de potência Fast; Under-Frequency; e Overload Load Shedding Power Control Monitoramento da potência da planta Power Control; Network Config; Central Mode Manager Synchronization Supervisão da rede elétrica e objetos relacionados (CB, Gen) Interface com outros CMs: geradores e disjuntores 20 de novembro de 2012 Slide 34

35 Aplicações de automação em IEC Filosofia do Sistema 800xA Engenharia Comum Operação Comum Sistema com arquitetura comum Gerenciamento Comum de Informação Gerenciamento Centralized comum Historian de and ativos Data Archiving ABB Inc. November 20, 2012 Slide 35

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