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1 catálogo IEC61850 contribuimos para melhorar a segurança, qualidade de serviço e rentabilidade dos sistemas elétricos catálogo IEC61850 automação de subestações: desenvolvimento da norma IEC61850

2 automatização de subestações sob a norma IEC61850 apresentação O desenvolvimento da norma IEC61850 de intercâmbio de informação e dados entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IEDs: Inteligent Electronic Device) em um sistema de proteção e controle de subestação tem representado um longo caminho e um considerável esforço no qual, desde o seu inicio, ZIV tem agido ativamente, estando presente nos grupos de normalização assim como nas diferentes experiências de demonstração de interoperabilidade que têm sido realizadas durante este tempo. Para isto, ZIV tem contribuído com sua longa experiência, tanto no âmbito da proteção e automação de subestações, quanto no desenvolvimento e implantação de normas e protocolos de comunicaçao anteriores. A norma IEC61850 já não é uma novidade. Sua aceitação cresce e o número de aplicações práticas em serviço que o utilizam vem aumentando. Entretanto, a maior parte delas são instalações nas quais todos os equipamentos procedem do mesmo fabricante. Somente umas poucas tem representado em uma amostra real de interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fornecedores, demonstrando na prática a viabilidade e o sucesso do processo de normalização.

3 interoperabilidade sob IEC61850 ZIV quer apresentar, neste catálogo, um amplo grupo de equipamentos que cobre todas as funções necessárias para completar um sistema de proteção e controle sob a norma IEC Todos contam com certificados de conformidade, emitidos por laboratórios independentes e, o mais importante, é que foram utilizados com sucesso em implantações multi-fabricantes sob o padrão da norma, o que garante sua capacidade de interoperabilidade, de acordo com os critérios da norma: unidades de proteção, controle, medição e comunicações, clientes ou servidores, com a experiência de muito tempo de funcionamento satisfatório em instalações reais e em serviço. IEC61850, além de seu caráter de padrão, representa a oportunidade de redefinir a automação de subestações sob um novo paradigma no qual a normalização alcança, não só aos dados trocados pelos equipamentos que formam parte do sistema de automação, mas também que inclui a informação de descrição, definição e configuração destes equipamentos e da própria subestação. Aparece a possibilidade de desenvolver ferramentas autenticamente orientadas ao desenho de subestações e não simplesmente à comunicação e/ou configuração dos dispositivos de fabricantes específicos. IEC61850 não impõe modificações nos critérios de automação, mas dá a oportunidade de realizar uma reflexão sobre os métodos, formas e funções sobre os quais se baseia a automação atual de subestações. Oferece, além disto, meios e instrumentos tanto para a melhoria das funções convencionais quanto para o desenvolvimento de outras novas, impossíveis de se realizar até o momento. ZIV coloca a serviço de seus usuários sua experiência e conhecimento, se oferece como colaborador na reflexão e se brinda a ajudá-los na adaptação da norma a seus critérios e necessidades, acompanhando-os na busca de soluções ótimas, confiáveis e eficazes.

4 introdução à automação de subestações elétricas A arquitetura de proteção e controle das subestações que vem sendo construída desde os anos 90 difere substancialmente da arquitetura de uma subestação clássica pelo aparição dos equipamentos programáveis de proteção e controle de cada posição, assim como pelos equipamentos que realizam os trabalhos de consola local, consola remota, os enlaces com o telecomando e despacho de proteções e pelas comunicações estabelecidas entre eles. A Automação de Subestações (AS) consiste basicamente na aplicação de dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs) que utilizando microprocessadores permitem controlar, proteger e monitorar o sistema elétrico de potência e suas subestações. Sua implantação se baseia em sistemas de comunicações muito confiáveis que permitem operar o sistema de uma maneira totalmente nova com base na informação, facilitando respostas em tempo real aos eventos ocorridos na rede, e apoiando a planificação e a gestão dos ativos. Aplicando o princípio geral de que as funções se baseiam no nível onde se dispõe da informação suficiente para sua execução e tomada de decisões, a Automação de Subestações, desde um ponto de vista lógico, divide os sistemas em três níveis: Nível de processo, que é o nível mais baixo no qual se situam os sensores, transformadores de corrente e de tensão principalmente, e os dispositivos de atuação (disjuntores e seccionadores) necessários para o monitoramento e operação da subestação. Nível de subestação, que é o nível superior dentro da subestação no qual se situam as consolas locais (IHM) e as unidades centrais de subestação (UCS/Gateway) que se conectam com os centros de controle (SCADA). Nível de posição, que é o nível intermediário no qual se situam os equipamentos de proteção e controle. Estes equipamentos protegem e controlam a posição na qual estão colocados, e podem também incluir funcionalidades relacionadas com a operação de outras posições, por exemplo intertravamentos. Além disto dispõem de enlaces de comunicação serial com os equipamentos do nível de subestação.

5 introdução à automação de subestações elétricas DESPACHO DE MANOBRAS RTC / Rádio Modem WAN Corporativa IHM Remoto IEC DNP3 GESTEL PID 1 SEVCO INDACTIC, etc (Interface RS232) Acesso a serviços Web, FTP, etc. Consola de Operação Remota de ZIV (IHM Remoto) via conexão serial (protocolo nativo de ZIV sobre PPP e acesso a serviços web, FTP, etc.) F.O. PPP Protocol RS232 Modem RTC / Digital GPRS Protocolos Serial PROCOME; DNP3; IEC ; etc. Modem Acesso Remoto Protocolo PPP RS232 Unidade Central Router Internet Consola de Operação Local Unidade de ZIV (Protocolo nativo de ZIV sobre TCP / IP e acesso a serviços web, FTP, etc.) Concentrador / Difusor 10/100 Base T F.O. F.O. F.O. Switch Rede Ethernet TCP / IP 10/100 Mb/s (Protocolo IEC61850 e outros sobre TCP / IP) IEDs IEC61850 IED IEC61850 IED A Automação de Subestações (AS) passou da simples substituição dos processos existentes por outros mais sofisticados à interação entre processos. Esta arquitetura tem condicionado também a realização dos projetos de engenharia, dando passo junto aos esquemas unifilares e desenvolvimentos tradicionais, à definição das funções lógicas realizadas pelos novos equipamentos e as redes de comunicações, protocolos empregados, etc. A AS passou da simples substituição dos processos existentes por outros mais sofisticados à interação entre processos. Facilitou o désenvolvimento de novas funções que antes haviam sido impossíveis e conduziu a novas e potentes capacidades para os usuários, o que por sua vez gerou uma maior necessidade de automação. Até recentemente os fabricantes de equipamentos de proteção e controle tinuam desenvolvido seus equipamentos, organizando suas funções e empregando os protocolos de comunicações, de uma maneira não coordenada, o que gerou tanto na hora do projeto como na hora da exportação problemas de integração de equipamentos de diferentes fabricantes. O propósito, durante muitos anos, foi definir, uma arquitetura de comunicações que viesse a permitir uma integração "sem costuras" dos IED's (Inteligent Electronic Device) dentro de elementos e do mais alto nível. Uma infra-estrutura que fosse independente do fabricante e que permitisse que elementos de vários fabricantes fossem integrados conjuntamente. Com esta finalidade, em 1994 a EPRI e a IEEE começaram a trabalhar, dentro do projeto UCA (Utility Communications Architecture), na definição de uma arquitetura para o "barramento" de comunicações da subestação). Em 1996, o Comitê Técnico 57 de a IEC começa a trabajar com o mesmo objetivo na IEC Já em 1997, os dos grupos concordam em trabalhar juntos na execução de um padrão internacional, cujo resultado é a atual norma IEC61850.

6 IEC61850 como solução para automação de subestações A norma IEC61850 iniciou o desenvolvimento no ano de 1997 com a intenção de alcançar uma solução global e aberta para a Automação de Subestações. Fazendo uso da experiência acumulada em normas internacionais já existentes, considerando os requisitos dos usuários e ocupando-se também da engenharia dos sistemas, gerou-se o novo padrão de comunicações. objetivos da norma Permitir conectar dispositivos de diferentes fabricantes. Uma das maiores vantagens que tem a utilização do IEC61850 é a interoperabilidade entre os dispositivos de diferentes fabricantes, entendendo-se esta como a capacidade de dois ou mais IEDs de um ou vários fabricantes de trocar informação e utilizá-la para realizar suas funções de forma cooperativa. Para isto foi definido um domínio específico com modelos de dados e serviços normalizados, de forma que os IEDs são capazes de compreender a informação procedente de outros equipamentos e de realizar funções em comum, ainda que estejam distribuídas em vários dispositivos físicos, enquanto estão conectados a uma mesma rede com um mesmo protocolo. Válida para as instalações presentes e futuras. IEC61850 proporciona vantagens tanto na hora de renovar ou ampliar subestações quanto nas de novo desenho. É simples incluir novas funcionalidades durante o processo de renovação de uma instalação fazendo uso das novas ferramentas disponíveis. Mediante a utilização de "gateways" é possível que equipamentos "não IEC61850" possam ser vistos pelo sistema como IEDs "compatíveis IEC 61850". Flexibilidade mediante as diferentes arquiteturas do Sistemas de Automação. IEC61850 permite a livre associação de funções aos dispositivos (IEDs) e, portanto, suporta qualquer arquitetura de automação de subestações (ex. "centralizada" ou "descentralizada"), assim como diferentes enfoques de integração ou distribuição de funções. Capacidade de combinar as tecnologias de comunicações presentes e futuras com as aplicações existentes, garantindo sua estabilidade a longo prazo. IEC61850 separa as aplicações das tecnologias de comunicações. Com isto, é possível beneficiarse das vantagens da evolução destas tecnologias, salvaguardando a informação e as aplicações que já satisfazem as necessidades do usuário e permitindo evoluir mediante novos requisitos do sistema.

7 IEC61850 como solução para a automação de subestações Redução de prazos e custos do processo de engenharia e comissionamentos das subestações. A norma, em sua parte 6, estabelece uma linguagem de descrição de configuração de subestações denominado SCL (Substation Configuration description Language) que incorpora descrições formais das capacidades dos IEDs, da arquitetura da subestação, da estrutura de comunicações e da interação com o comutador da subestação. Facilita também um processo de engenharia padronizado, proporcionando os meios para intercambiar dados de configuração entre ferramentas de engenharia. O processo de engenharia resulta mais eficiente, facilitando tanto a manutenção quanto a ampliação dos sistemas de automação de subestações. impacto A utilização da norma IEC61850 supõe um impacto importante nas especificações dos projetos de Automação de Subestações, assim como em sua implementação e execução. Nós, como fornecedores de equipamentos de proteção e de Automação de Subestações, temos tido que realizar um importante esforço na especificação da implementação real do padrão. Os usuários, com base em seu próprio conhecimento ou com a orientação de uma engenharia com experiência em subestações e na aplicação da norma, terão de especificar os sistemas de Automação de Subestações, preferivelmente com enfoque na funcionalidade, nas funções de proteção e controle necessárias, mais do que em dispositivos concretos. Especificar de acordo com a norma IEC61850 significa dividir a funcionalidade completa em "nós lógicos", os quais, por sua vez, incluem "dados"; todos eles possuem nomes específicos e representam uma funcionalidade concreta. Posteriormente terão que distribuir estas funções entre os distintos IEDs. É recomendável especificar os requisitos de tempos de resposta e de disponibilidade do sistema, resultando para isto, imprescindível, a definição da arquitetura de comunicações: pode ser conveniente identificar os possíveis cenários de falha e as perdas de disponibilidade aceitáveis ou inaceitáveis. Os testes de aceitação em fábrica e/ou os testes de comissionamento permitirão comprovar que o sistema completo funciona de acordo com as especificações, com a vantagem de que o IEC61850 simplifica estes testes, já que a comprovação da consistência dos dados pode ser realizada de forma automática comprovando os arquivos de configuração da subestação SCD (System Configuration Description) baseados na linguagem SCL. Desde o ponto de vista da manutenção, os arquivos SCD permitem encontrar e solucionar mais facilmente erros que utilizando qualquer outra informação impressa. Além disto, permitem reutilizá-los tantas vezes quanto seja necessário para adaptações e ampliações do sistema. vantagens e soluções Não tem dúvidas que a utilização do protocolo IEC61850 apresenta importantes vantagens frente às soluções convencionais: Aumenta a eficiência graças à interoperabilidade entre IEDs e a ferramentas baseadas em SCL que ajudam a optimizar as soluções. Além disto, a troca de dados ponto a ponto que utiliza os enlaces de comunicações padronizados permite reduzir o cabeamento ao mínimo. Proporciona uma grande flexibilidade dando suporte a qualquer arquitetura física ou funcional assim como a futuras ampliações. De novo a interoperabilidade dos dispositivos, assim como o modelo de dados orientado a objetos e a comunicação baseada em Ethernet, confirma o suporte desta flexibilidade. Constitui um investimento rentável e de futuro já que os sistemas de Automação de Subestações poderão se beneficiar da evolução das comunicações sem que isto suponha necessariamente em trocas na aplicação e nos dados, e porque a linguagem SCL e as regras para extender o sistema e a funcionalidade garantem uma fácil manutenção e a interoperabilidade ao longo do tempo.

8 partes da norma esquema do padrão IEC61850 Parte 1. Parte 2. Parte 3. Parte 4. Parte 5. Parte 6. Introdução e Visão Geral. Índice. Requerimentos Gerais. Sistema e gerenciamento de projeto. Requerimentos de Comunicação para funções e modelos de dispositivos. Descrição da configuração da linguagem dos IEDs para comunicação em subestações elétricas. Parte 7-1. Estrutura básica de comunicação para equipamentos de subestação e alimentadores - Princípios e modelos. Parte 7-2. Estrutura básica de comunicação para equipamentos de subestação e alimentadores - Abstract communication service interface (ACSI). Parte 7-3. Estrutura básica de comunicação para equipamentos de subestação e alimentadores -Classes de dados comuns. Parte 7-4. Estrutura básica de comunicação para equipamentos de subestação e alimentadores - Classes nó lógico compatível e classes de dados. Parte 8-1. Mapeamento para serviço específico de comunicações (SCSM) - Mapeamento para MMS (ISO/IEC e ISO/IEC ) e para ISO/IEC Parte 9-1.Mapeamento para serviço específico de comunicações (SCSM) - Valores de amostragem sobre serial unidirecional multidrop link ponto a ponto. Parte 9-2.Mapeamento para serviço específico de comunicações (SCSM) - Valores de amostragem sobre ISO/IEC Parte 10. Teste de conformidade.

9 modelo de dados e serviços A norma IEC61850 descreve um sistema tipo "cliente - servidor", onde os "servidores" são principalmente os IED (Intelligent Electronic Device) que realizam as funções de Proteção, Controle, Monitoração e Medição da aparelhagem da subestação e das linhas. Por outra parte, os "clientes" são os equipamentos que recolhem ou recibem a informação dos servidores: basicamente, as Unidades Centrais de Subestação e RTUs. Os principais objetivos da norma na definição dos barramentos de comunicações da subestação são: Determinar que dados estão disponíveis e como devem ser nomeados e descritos, proporcionando os mecanismos para que os IEDs sejam autodescritivos. Determinar como podem estes dados ser acessados e trocados entre diferentes dispositivos. Determinar como são conectados os diferentes elementos nas redes de comunicações. Para cumprir com estes objetivos, a norma contém um modelo de dados orientado a objetos. Este modelo agrupa dados de acordo com as funções habituais de um SAS (Substation Automation System).

10 modelo de dados e serviços Nós lógicos As funções mencionadas anteriormente foram divididas em entidades mais simples, em uns objetos denominados "Nós Lógicos" (LN), que são capazes por si só de realizar tarefas simples completas. Dois exemplos são os disjuntores, que se modelam com um nó XCBR, ou uma proteção de sobrecorrente instantânea, que se modela com um nó PIOC. Atributos Dentro destes nós lógicos são distribuídos os atributos (DataAttributes), parâmetros, valores e dados necessários na operação das funções do SAS que, por sua vez, são divididos em diferentes classes (CommonDataClass). Dispositivos lógicos Ao final, grupos de nós lógicos que descrevem funcionalidades completas (Proteção, Controle ) terminam enquadrando-se em um ou vários Dispositivos Lógicos (LD) dentro de um elemento físico (IED). Acesso à informação O acesso à informação contida nos dados do modelo é permitido a través de um conjunto de serviços padronizados pela própria norma, enquanto que o modelo de dados como os serviços estão mapeados sobre um "stack" de comunicações formado pelo protocolo MMS, TCP/IP e Ethernet. Ponto de acesso ao barramento de subestação Conexões servidor DO DO DO DA DA DA DA DA DA DA Logical Node DO DO DO DO Nó Lógico Logical Device Nó Lógico Nó Lógico Equipamento lógico Equipamento lógico ROUTER Conexões cliente SERVER IED IED Ponto de acesso ao barramento de processo

11 princípios de comunicações as 7 camadas e GOOSE Com a chegada dos relés digitais comunicáveis, há 15 anos, se criou um tipo de arquitetura de comunicações. Neste modelo de arquitetura, os protocolos estavam baseados em comunicações seriais e com modelos do tipo mestre (Unidade Central de Subestação) / escravo (Equipamentos de posição -IEDs-). A Unidade Central interroga de maneira cíclica os equipamentos para obter a informação para o controle da subestação, assim como para enviá-la ao despacho de telecontrole. No novo modelo de arquitetura IEC61850, os protocolos estão baseados em comunicações sobre redes Ethernet e os modelos são do tipo cliente-servidor permitindo, além disso, as comunicações horizontais entre os distintos equipamentos. A norma IEC61850, em sua parte 8.1, mapea os serviços genéricos de comunicações sobre MMS (MMS Stands for Manufacturing Message, Specification ISO/IEC 9506). Este protocolo está baseado no modelo OSI (Open System equipamentos (IEDs). Interconnection) de 7 camadas. O modelo de referência de Interconexão de Sistemas Abertos (OSI, Open System Interconnection), lançado em 1984, foi o modelo de rede descritivo criado por ISO, quer dizer, um marco de referência para a definição de arquiteturas de interconexão de sistemas de comunicações. No novo modelo de arquitetura IEC61850, os protocolos estão baseados em comunicações sobre redes Ethernet e os modelos são do tipo cliente-servidor, permitindo, além disso, as comunicações horizontais entre os distintos equipamentos (IRDs).

12 princípios de comunicações: as 7 camadas e GOOSE Origem Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace de dados Física Destino Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace de dados Física Camada Física (Camada 1) A Camada Física do modelo de referência OSI é a que se encarrega das conexões físicas do computador até a rede, no que se refere ao meio físico (óptico ou elétrico). Camada de Enlace de Dados (Camada 2) Qualquer meio de transmissão deve ser capaz de proporcionar uma transmissão sem erros, quer dizer, um trânsito de dados confiáveis através de um enlace físico. Camada de Rede (Camada 3) O objetivo da camada de rede é fazer com que os dados cheguem da origem ao destino, mesmo quando ambos não estejam conectados diretamente. Camada de Transporte (Camada 4) Sua função básica é aceitar os dados enviados pelas camadas superiores, dividi-los em pequenas partes se for necessário e passá-los à camada de rede. Camada de Sessão (Camada 5) Esta camada estabelece, gerencia e finaliza as conexões entre usuários (processos ou aplicações) finais. Camada de Apresentação (Camada 6) O objetivo da camada de apresentação é encarregar-se da representação da informação, de maneira que, apesar de distintos equipamentos que possam ter diferentes representações internas de caracteres, números, som ou imagens, os dados cheguem de maneira reconhecível. Camada de Aplicação (Camada 7) Oferece às aplicações (de usuário ou não) a possibilidade de acessar aos serviços das demais camadas e define os protocolos que utilizam as aplicações para trocas de dados. Service and protocols for client/server communication A - Profile OSI model layer Specification Name Service Specification Protocol Specification Application Manufacturing ISO :2003 ISO :2003 Message Specification Association Control ISO/IEC 8649:1996 ISO/IEC 8650:1996 Service Element Presentation Connection Oriented ISO/IEC 8822:1994 ISO/IEC :1994 Presentation Abstract Syntax ISO/IEC :1999 ISO/IEC Session Connection Oriented ISO/IEC 8326:1996 ISO/IEC :1997 Session

13 princípios de comunicações: as 7 camadas e GOOSE Service and protocols for client/server TCP/IP T - Profile OSI Model Layer Specification Name Service Protocol Specification Specification Transport ISO Transport on top of TCP RFC 1006 Internet Control Message RFC 792 Protocol (ICMP) Transmission Control Protocol (TCP) RFC 793 Network Internet Protocol RFC 791 An Ethernet Address RFC 826 Resolution Protocol (ARP) Data Link Standard for the transmission of IP RFC 894 datagrams over Ethernet networks Carrier Sense Multiple Access ISO/IEC :2001 with collision detection (CSMA/CD) Physical (option 1) 10Base-Physical T/100Base-T ISO/IEC :2001 Interface connector and ISO/IEC 8877:1992 contact assignments for ISDN Basic Access Interface. Physical (option 2) Fibre optic transmission ISO/IEC :2001 system 100Base-FX Basic Optical Fibre IEC , IEC Connector. and IEC Um dos mecanismos mais novos que a norma define para a comunicação horizontal são as mensagens GOOSE (Generic Object Substation Events). Estas mensagens estão pensadas para passar informação crítica entre IEDs dentro da subestação. O que antes era feito com cabeamento convencional, agora se faz com mensagens de GOOSE. Considerando que a velocidade de transmissão das mensagens é primordial, definese um perfil de mapeado específico para estas mensagens. Service and protocols for GSE Management and GOOSE communication A-Profile OSI Model Layer Specification Name Service Specification Protocol Specification Application GSE/GOOSE protocol See Annex A Presentation Abstract Syntax NULL Session GOOSE/GSE T-Profile OSI Model Layer Specification Name Service Specification Transport Network DataLink Priority Tagging/ VLAN IEEE 802.1Q Carrier Sense Multiple Access ISO/IEC :2001 with collision detection (CSMA/CD). Physical (option 1) 10Base-Physical T/100Base-T ISO/IEC :2001 Interface connector and contact ISO/IEC 8877:1992 assignments for ISDN Basic Access Interface. Physical (option 2) Fibre optic transmission ISO/IEC :2001 system 100Base-FX Basic Optical Fibre IEC , IEC and Connector. IEC As mensagens associadas ao GOOSE são do tipo: Type 1 (Fast messages) Type 1A (Trip) Class P1-10 ms Class P2/P3-3 ms O modelo para o serviço de mensagens GOOSE é do tipo editores, assinantes. As mensagens são difundidas na rede(multicast) por parte dos editores e os IEDs necessários são subscritos para receber as mensagens. São previstos mecanismos de tentativas para garantir que a informação seja recebida pelos assinantes.

14 teoria de ethernet switches, arquitetura e barramentos de comunicações O padrão IEC61850 tem escolhido a tecnologia Ethernet por considerá-la a mais apropiada para o estabelecimento da rede de comunicações que suportará suas funções de detalhes. Esta seleção não é algo privativo do mundo elétrico. Desde sua concepção, lá pelos anos 70, Ethernet tem se posicionado como a tecnologia de referência para o estabelecimento de redes aérea local nos escritórios e campus universitários. Depois se introduziu no mundo industrial e hoje são poucas as fábricas cujas funções de detalhes não se baseiam em uma rede Ethernet local. Esta tendência segue consolidandose em nossos dias. Sistemas tão críticos como nossas subestações elétricas, centrais nucleares, trens, aviões e automóveis estão incorporando a tecnologia Ethernet.

15 teoria de ethernet: switches, arquitetura e barramentos de comunicações switches ethernet: princípios de funcionamento O equipamento chave em uma rede Ethernet é o switch (comutador). Um switch Ethernet é composto de um determinado número de portas de comunicações nos quais são conectados os equipamentos finais, em nosso caso IED's. As portas de comunicações de um switch podem ser tanto de cobre, usando o popular conector RJ45, quanto de fibra óptica, usando os novos conectores MT-RJ ou LC, que constituem a evolução natural dos conectores ST ou SC, apresentando melhores prestações ocupando um menor espaço, o que permite dispor de switches ethernet com uma grande quantidade de portas de comunicações. A principal função deste equipamento é a de comutar as tramas Ethernet, à maior velocidade possível, entre as distintas portas ethernet que as compõem. Um switch Ethernet, ao receber uma trama por uma de suas portas, e após comprovar a validez da mesma (para o qual comprova um checksum calculado pelo equipamento -IED- que gerou a trama), decidirá a que porta(s) deve enviar esta trama. Esta decisão é realizada consultando sua tabela interna de endereços MAC, na qual relacionam-se os endereços MAC destino (que é parte da trama Ethernet) com cada uma de suas portas físicas. Se este endereço MAC encontra-se na tabela de endereços, o switch enviará a trama única e exclusivamente pela porta na qual se encontra associado este endereço MAC. Caso este endereço não se encontre na tabela de endereços MAC, o switch enviará a trama Ethernet para todas as portas do switch com exceção da porta pela qual foi recebida a trama original. É muito importante destacar que esta função de comutação há de realizar-se a uma velocidade tal que se permita a todas as portas de comunicações do switch trocar as tramas Ethernet, sem sofrer qualquer tipo de bloqueio, transmitindo e recebendo tramas simultaneamente, à velocidade máxima possível da porta. Isto pode ser realizado pelos switches full duplex wire-speed. Além desta função básica de comutação de tramas Ethernet, um switch incorpora outras funções, protocolos de comunicações, que permitem: Estabelecer redes de Ethernet complexas, com redundâncias, nas quais os elementos redundantes encontram-se em modo back-up, e somente são ativados no caso em que um elemento falhe (Protocol Rapid Spanning Tree). Gerenciar os equipamentos, conhecer seu estado e mandar alarmes no caso que ocorram uma série de eventos programados nos switches (SNMP Protocol). Estabelecer uma política de prioridades de tráfego atendendo à natureza do tráfego, de forma que mensagens consideradas críticas sejam entregues à situações de congestão de rede (QoS). Compartilhar uma mesma infra-estrutura física Rede Ethernet entre os distintos serviços que esta rede pode transportar (VLAN).

16 teoria de ethernet: switches, arquitetura e barramentos de comunicações O padrão IEC61850 distingue entre dois barramentos de comunicações: Barramento de subestação e barramento de processo. Ambos podem se expandir mediante redes Ethernet. switches ethernet nas subestações elétricas Barramento de subestação O barramento de subestação é o que mais se expandiu até o momento. A topologia de rede mais habitual é a do anel dada a sua robustez e suas vantagens quanto seu custo de instalação e implantação. Há também algumas topologias mistas: estrela - anel e, inclusive, para redes muito grandes, anéis interconectados. Em qualquer caso, o que mais preocupa à industria é que a topologia expandida seja robusta diante de falhas. Neste ponto, todas as topologias anteriores se baseiam em redundar, principalmente, os enlaces de fibra óptica, de forma que, diante de falhas de switches ou enlaces, a rede de comunicações seja capaz de transportar as mensagens IEC61850 por outro caminho com o mínimo tempo de recuperação. Dada sua grande utilização no barramento de subestação, na seguinte figura mostra-se uma topologia em anel: Fibra Ótica Fibra Ótica Fibra Ótica Fibra Ótica Fibra Ótica Topologia ANEL Duas das perguntas mais importantes a serem realizadas quando implantamos esta topologia são: Que largura de banda devo dedicar aos enlaces de fibra que interconectam com os switches Ethernet, y quais passarão todo o tráfego da subestação? Os 100 Mbps são suficientes ou devo pensar em 1Gbps? Em caso de falha de um equipamento ou um enlace, quanto tempo a rede ficará indisponível? Barramento de processo O barramento de processo não está tão expandido quanto o barramento de subestação. Uma das razões é a criticidade da informação (sampled values) que este barramento deve recolher. Tal como o barramento de subestação, a indústria está muito preocupada por sua confiabilidade. Com objetivo de assegurar a mesma ZIV - usyscom propõe redundar completamente a rede aérea local, isto é, todos os IED's que se conectem neste barramento devem dispor de duas portas ethernet pelos que enviarão / receberão a mesma informação através de duas infra-estruturas de rede diferentes e separadas, tal como mostra na figura a seguir. MERGING UNIT ETHERNET NETWORK A ETHERNET NETWORK B PROTECTION DEVICE Ethernet frame A topologia de cada uma das redes anteriores poderá ser um anel ou uma estrela, mas dada a importância crítica da informação que esta rede deve transportar, não podemos nos conformar com uma única tolerância à falha de enlace. Devemos assegurar que mesmo que caiam vários equipamentos da rede, o barramento de processo segue funcionando.

17 engenharia e ferramentas linguagem SCL, processo de engenharia Uma das conquistas mais importantes da norma IEC61850 é a padronização do modo de descrever a configuração das subestações em suas duas vertentes, tanto Proteção quanto Controle. Padroniza-se uma linguagem e diferentes tipos de arquivos a serem trocadas entre as ferramentas de especificação e configuração, e entre estas e os próprios IEDs. Esta normalização permite, pela primeira vez, fazer independente o desenho das ferramentas e o desenho dos IEDs, com uma série de conseqüências muito positivas para os usuários. Um dos efeitos mais importantes é a possibilidade de que apareçam, no mercado da automação, fabricantes de software que venham a competir por fornecer ferramentas de engenharia não ligadas a nenhum fabricante de equipamentos e com o objetivo de dar um maior valor agregado ao usuário. A parte 6 do IEC61850 especifica uma linguagem de tipo XML que define um formato de arquivo para descrever as configurações de IEDs relacionadas com comunicações, os parâmetros dos IEDs, a configuração do sistema de comunicações, a estrutura funcional da subestação e as relações entre todo o anterior. A linguagem definida chamase SCL: Linguagem de descrição da Configuração de Subestação (Substation Configuration description Language).

18 engenharia e ferramentas: linguagem SCL, processo de engenharia Modelo de referência para o fluxo de informação no processo de configuração IED Database Capacidades do IEDs (LN, DO, ) Configurador do sistema Especificações do sistema (SLD, LNs ) Associações, relação com o unifilar, relatórios pré-configurados... Ambiente de Engenharia Ambiente de subestação Transferência de arquivos (LOCAL) Estação de engenharia Transferência de arquivos (REMOTE) Subestação "Gateway" Configurador de IED Transferência de arquivos e parametrização mediante os serviços de IEC IED IED IED SCL: Linguagem de descrição da Configuração de Subestação O propósito principal é trocar as descrições das capacidades dos IEDs e as descrições do sistema de automação da subestação entre as ferramentas de engenharia de IED e as ferramentas de engenharia do sistema de diferentes fabricantes. A linguagem definida chama-se SCL (Linguagem de descrição da Configuração de Subestação / Substation Configuration Description Language). O processo de engenharia da subestação exige que SCL seja capaz de descrever a especificação funcional da subestação, descrever as capacidades dos IEDs que são utilizados e descrever o sistema final configurado em todos seus detalhes. O padrão propõe dos tipos de tarefas a realizar por as ferramentas de engenharia: Configurador de IED. É específico do fabricante e deve ser capaz de importar e exportar arquivos SCL, assim como proporcionar os ajustes específicos do IED e gerar seu arquivo de configuração para carregá-lo no IED. Configurador do Sistema. É independente dos IEDs e deve ser capaz de importar e exportar arquivos SCL. Deve ser também capaz de ler o arquivo de especificação do sistema para tomálo como base do desenho ou para compará-lo com um desenho realizado. SCL determina o uso de vários tipos de arquivos durante o processo de engenharia. Os principais são: ICD (IED Capability Description): descreve as capacidades de engenharia e funcionalidades de um IED sem nenhuma configuração concreta. Um IED que cumpra o padrão deve ir acompanhado de seu ICD. SSD (System Specification Description): descreve a especificação do sistema com o unifilar, as funções da subestação e os nós lógicos que são necessários. SCD (Substation Configuration Description): descreve o conjunto do sistema configurado, com a informação dos IEDs configurados, o subsistema de comunicações e a descrição da subestação. CID (Configured IED Description): descreve a configuração completa de um IED dentro do projeto concreto e toda a informação necessária para que o "Configurador de IED" o carregue sobre o IED.

19 engenharia e ferramentas: linguagem SCL, processo de engenharia ICDs[IED+SCU] (IGM) Generação de ICDs Arquivo ICD Mapa de ferramentas de ZIV Módulo de Configuração de ICDs (ICM) IEDs PROCOME Configuração de Sistemas [SCU+Consola] [ZIVerGraph-SCM] Arquivos CFG Arquivos CID Arquivos SCD PLC OPEN (IEC ) SWG (W3C) Editor gráfico de lógicas [IED+SCU] (LGE) Editor de HMIs [IED+Consola] (HMIE) Analizador de protocolos de rede IEC61850 Explorador MMS (BMMS) Visualizador de Registros Oscilográficos (ORV) Aplicação para Sincrofasores Ferramentas privadas de diagnóstico e mantenimento de IEDs Ferramentas de gestão de rede IEC61850 ferramentas ZIV dispõe de um conjunto de ferramentas que permitem realizar a configuração completa de um sistema IEC São ferramentas que facilitam a geração dos arquivos CID correspondentes aos IEDs, também chamados "servidores", integrando todos os ajustes, parâmetros e sinais de proteção e controle, a configuração da lógica programável, e dos "Reports" e "Gooses" de cada posição. Ferramentas para o tratamento dos arquivos SCD que configuram os "clientes" IEC61850, ou seja dizer UCS/IHM e RTU das subestações. Ferramentas com um ambiente amigável e moderno, com um editor gráfico para as lógicas e um potente editor para os gráficos de IEDs e HMIs.

20 equipamentos avançados desenhados para adaptar-se às necessidades do usuário e da aplicação Os equipamentos de proteção e controle IRV, IDV, BCV, ZLV, RTV e MCV, cujas características particulares são descritas nas páginas a seguir, fazem parte de uma família cujos membros compartilham uma mesma arquitetura e uns mesmos critérios de desenho, ainda que cada um deles tenha sido concebido para satisfazer as necessidades de um âmbito específico de aplicação. integração funcional Integração de funções e flexibilidade são as duas pautas que tem orientado seu desenvolvimento. A integração funcional faz com que seja possível que um só equipamento abranja todas as necessidades de proteção e controle de uma posição elétrica; a capacidade para inabilitar qualquer uma das funções incluídas em um equipamento permite, por outra parte, estabelecer a distribuição de funções/equipamentos ótima, em função do equilíbrio entre integração e redundância desejado pelo usuário.

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