Aplicação de Ferramentas de Teste em uma Subestação com Automação Baseada na Norma IEC 61850

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1 1 Aplicação de Ferramentas de Teste em uma Subestação com Automação Baseada na Norma IEC E. A. de Assis Segundo; F. A. Moreira, Member, IEEE e D. Barbosa, Member, IEEE Resumo Neste trabalho, algumas ferramentas propostas na literatura para testes de sistemas de automação de subestações baseados na norma internacional IEC61850 são aplicadas em uma subestação real. Os resultados das medições, dificuldades e pontos positivos da aplicação das ferramentas são apresentados. Palavras-chave IEC61850, GOOSE, Automação de Sistemas Elétricos, Tempo de Transferência, IED, Caixa de Testes. Abstract In this work, some tools proposed in the literature for the testing of substation automation systems based on the international standard IEC61850, are applied on a real substation. The measurement results, difficulties and positive points of the application of such tools are presented. Keywords IEC61850, GOOSE, Electrical Systems Automation, Transfer Time, IED, Test set. A I. INTRODUÇÃO s subestações (SE) de energia elétrica, no Brasil e no mundo, vêm passando por um constante processo de ampliação com a entrada em operação de novos empreendimentos, e modernização com a necessidade de atualizar tecnologicamente a automação e proteção visando melhor desempenho, interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes, dentre outros. Uma das tecnologias de automação aplicadas nas subestações atuais são os sistemas baseados na norma IEC61850 (Norma internacional Redes e Sistemas de Comunicação para Automação de Subestações ), cuja tecnologia utiliza redes de comunicação para a troca de informações entre os Dispositivos Eletrônicos Inteligentes, do inglês Intelligent Electronic Devices (IEDs). Com a utilização de novas tecnologias para automação, surgiu a necessidade de adequação das ferramentas existentes Edmilson Almeida de Assis Segundo é aluno do Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica da Universidade Federal da Bahia (UFBA) e Engenheiro de Equipamentos da Petróleo Brasileiro S.A. (PETROBRAS), Salvador, BA. ( segundopianco@gmail.com). Fernando Augusto Moreira é Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal da Bahia (UFBA), Salvador, BA ( moreiraf@ufba.br). Daniel Barbosa é Professor da Universidade Salvador (UNIFACS) e Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal da Bahia (UFBA), Salvador, BA ( daniel.barbosa@pro.unifacs.br). e a utilização de novas ferramentas para a manutenção e verificação dos sistemas de automação, seja para o acompanhamento do funcionamento do sistema, seja para eventuais ajustes de parametrização nos IEDs e switches. Diversos trabalhos foram publicados na literatura com o objetivo de propor ferramentas que possam ser utilizadas nas manutenções dos sistemas de automação baseados na norma IEC61850, dentre esses estão [1-3], que apresentam as ferramentas Mapas GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), registro de mensagens GOOSE utilizando ou não a técnica de espelhamento de porta e o teste dos IEDs utilizando caixa de testes. Adicionalmente, em [4] são tratados os Requisitos de Comunicação e o conceito de Tempo de Transferência (TT) é apresentado. Neste cenário de adequação contínua, esse trabalho apresenta a aplicação das ferramentas propostas em [1-3] em uma SE real em operação com o objetivo de avaliar os resultados obtidos, pontos positivos e as dificuldades encontradas. O cálculo do TT será realizado utilizando os conceitos apresentados em [4]. O artigo está organizado nos seguintes tópicos: A seção II apresenta os aspectos da Norma IEC 61850, discutindo o conceito de TT e apresentando o resultado de medições de TT em laboratório. A seção III descreve a estrutura de automação da SE a ser testada. Em seguida, a seção IV trata da aplicação das ferramentas de teste em um sistema real. A seção V apresenta os resultados obtidos nos testes e finalmente a seção VI apresenta as conclusões do trabalho. II. ASPECTOS DA NORMA IEC61850 A IEC61850 é uma norma desenvolvida pela Comissão Internacional de Eletrotécnica e tem como principal objetivo definir um modelo de sistema que permita a interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes sem a necessidade de incorporar conversores de protocolo, uma vez que estes encarecem os projetos de automação. Os sistemas baseados na norma IEC61850 utilizam as mensagens GOOSE para a troca rápida e periódica de informações entre IEDs, levando as informações necessárias para os outros IEDs do sistema, mesmo quando não há variação de nenhuma variável transmitida. Os IEDs verificam as mensagens publicadas

2 2 periodicamente e assinam, ou não, de acordo com sua programação. Quando alguma variável transmitida é alterada, o IED deixa de publicar as mensagens GOOSE periodicamente e passa a publicar as mensagens com um intervalo muito curto, de alguns milissegundos. A partir daí, após cada publicação em sequência, o tempo entre mensagens é o dobro do anterior até que seja atingido o tempo máximo entre mensagens e as mensagens GOOSE voltem a ser publicadas periodicamente, até que haja uma nova mudança de variável. Na norma IEC61850, parte 5, que versa sobre Requisitos de Comunicação para Funções e Dispositivos, [4], é mostrado o conceito de TT. Na Fig. 1 o TT é definido como a soma de 3 parcelas, ta, tb e tc. A parcela ta corresponde ao tempo de processamento do algoritmo de comunicação do IED DF1, tb corresponde ao tempo de transporte da mensagem pela estrutura de rede, switches, roteadores, cabos de cobre e/ou fibra ótica, tc corresponde ao tempo de processamento do algoritmo de comunicação do IED DF2, [4]. O TT pode ser medido pela diferença entre a estampa de tempo do evento no IED Publicante e Assinante, [5]. Uma premissa para a medição do TT das mensagens GOOSE é que os relógios dos IEDs estejam sincronizados. Tempo de Transferência: real equipada com 21 IEDs, ligados em estrela, conectados a 2 switches em anel, conforme ilustrado na Fig. 2. A interligação entre IEDs e os switches é realizada via fibra óptica, os IEDs tem seus relógios sincronizados por um GPS via uma rede de cabo coaxial e utilizando o protocolo IRIG-B. Todavia é importante salientar que a SE foi concebida para operar parcialmente com a IEC61850, ou seja: Os IEDs comunicam entre si via rede de comunicação baseada na IEC61850; Os sinais de trip para o disjuntor e sinais de contatos auxiliares do disjuntor para o IED são enviados e recebidos por par metálico; Os sinais dos Transformadores de Potencial (TPs) e de Corrente (TCs) são enviados aos IEDs usando cabeamento tradicional. IV. APLICAÇÃO DAS FERRAMENTAS DE TESTE EM UM SISTEMA REAL Com a determinação do ambiente para a realização dos testes e do levantamento na literatura correlata das ferramentas disponíveis, foram selecionadas 3 alternativas para aplicação em SEs, conforme apresentado nos itens seguintes. A. Mapas GOOSE O mapa GOOSE consiste em determinar a relação entre as mensagens GOOSE publicadas pelos IEDs do sistema e os assinantes de cada mensagem por meio de uma tabela, conforme proposto em [1] e [3]. Na Tabela I é mostrado um trecho do mapa GOOSE elaborado. Fig. 1. Definição do tempo de Transmissão. Fonte: Adaptação de [4] Segundo [5], o TT médio medido em laboratório, para um experimento composto por 2 IEDs interligados por um switch, para os casos de carregamento da rede até 15% foi 4,43ms, com um desvio padrão de 0,77ms. III. ESTRUTURA DE AUTOMAÇÃO DA SE EM TESTE Fig. 2. Diagrama da Rede de Automação da SE utilizada nos testes. O esquema de testes foi realizado em uma SE industrial TABELA I TRECHO DO MAPA GOOSE DA SE ANALISADA Publicador Assinante TAG Código Dado Descrição TAG Código Dado Descrição 1 DJ-73A02C AA3F73A1C PRO.BFR1RBRF1.Op.general Falha do DJ C DJ-73A02A AA3F73A1A VB007 Trip por 50BF 2 PN-73A03 AA3F73A2A PRO.P1TPIOC1.Str.general Partida 50 PN73A03 DJ-73A02A AA3F73A1A VB021 Bloqueio 68 3 DJ-73A02B AA3F73A1B ANN.LTGGIO5.Ind01.stVal IED B p/ Local DJ-73A02A AA3F73A1A VB047 IED p/ Local 4 DJ-A55 AA3T73A2A PRO.TRIPPTRC1.Tr.general DJ A55 aberto DJ-73A02A AA3F73A1A VB056 Abre DJ A B. Registro de Mensagens GOOSE O registro das mensagens GOOSE possui o objetivo de avaliar o tempo entre mensagens, estrutura das mensagens, além de ser uma das formas de confirmar se um IED está ou não publicando uma determinada mensagem GOOSE. O registro pode ser realizado de diferentes formas. Assim, neste artigo, apenas três formas de registro serão avaliadas, sendo elas: utilização de um sniffer, utilização da lista de eventos dos IEDs e utilização do relatório GOOSE dos IEDs. A montagem física para a medição de mensagens GOOSE é mostrada na Fig. 3. No detalhe, alguns equipamentos do painel da automação, switches e GPS. O sniffer é um software ou hardware capaz de interceptar e registrar o tráfego de dados em uma rede de computadores. Logo, este pode observar as mensagens GOOSE publicadas pelos IEDs na rede da SE analisada. Neste projeto, utilizou-se

3 3 o aplicativo Wireshark instalado em um notebook convencional. O Wireshark é um programa com licença gratuita, [6]. Switches Fig. 5. Relatório GOOSE de um IED GPS Fig. 3. Medição de Mensagens GOOSE na SE. Além do sniffer, é possível verificar as mensagens GOOSE enviadas por cada IED na SE por meio dos relatórios de eventos e de GOOSE, conforme ilustram as Fig. 4 e 5, respectivamente. Fig. 4. Lista de Eventos de um IED Observa-se que na lista de eventos é possível obter a data e a hora que a mensagem foi enviada ou recebida, bem como os estados das variáveis. Já no relatório GOOSE, verifica-se o Machine Address Code (MAC) do IED que enviou as mensagens GOOSE, bem como o Data Set (DS), VLAN, Código de erro (Code), [7]. Em sistemas onde existam Virtual Local Area Networks (VLANs) configuradas, geralmente grandes sistemas envolvendo uma grande quantidade de IEDs, se faz necessário o uso da técnica de espelhamento de porta para a verificação das mensagens GOOSE circulantes na rede. A técnica corresponde a realizar uma configuração no switch para que todas as mensagens, sejam elas GOOSE ou não, que estão passando por uma determinada porta do switch sejam copiadas (espelhadas) para uma outra porta na qual deve ser conectado um sniffer. Em sistemas sem VLANs configuradas, não faz sentido o uso do espelhamento, pois todas as mensagens GOOSE geradas circulam por todas as portas do switch. Por este motivo, nos testes realizados não foi necessária a utilização desta técnica. C. Teste do IED com Caixa de Testes O teste do IED é a etapa responsável por verificar as assinaturas e as publicações de mensagens GOOSE pelo IED sob teste. Assim, é possível observar quais pacotes o IED está enviando para a rede e se estes correspondem as mensagens desejadas. Outras funções desempenhadas pelo IED, como proteção, medição, entradas e saídas digitais e analógicas e execução de lógicas podem ser testadas paralelamente. A estrutura física padrão para o teste pode ser observada na Fig. 6. Por meio da Fig. 6 é possível verificar que a estrutura básica do teste de um IED é composta por: I. Switch que atenda a IEC 61850; II. Notebook; III. IED sob teste; IV. Caixa de testes. O notebook, o IED e a caixa de testes são interligados via rede de comunicação ao switch. Além disso, existem interligações via fio entre a caixa de testes e o IED, de modo que a caixa de testes injete no IED as tensões, correntes e sinais digitais necessários ao teste, bem como possibilite que o IED envie sinais, geralmente de trip, para a caixa de teste.

4 4 Fig. 6. Esquema básico para teste funcional do IED e Teste Montado É importante salientar que a caixa de teste também é responsável por mensurar os tempos de resposta do IED frente aos estímulos gerados, ou seja, por esta é possível verificar se a atuação do IED corresponde ao esperado. O teste do IED foi realizado com um IED sobressalente, que não estava operando. O teste foi realizado nas mesmas condições que um teste no IED retirado da SE, a única diferença é que não foi necessária a manobra de desligamento do disjuntor associado ao IED e a desconexão física do mesmo do painel para o teste em bancada. 1) Análise Qualitativa A análise qualitativa utiliza os dados coletados pelo sniffer com o objetivo de avaliar o tempo entre mensagens de cada IED e de identificar eventuais erros na publicação das mensagens GOOSE esperadas. Todavia, a utilização do sniffer demanda um tempo considerável para análise, uma vez que devem ser configurados filtros individuais para cada IED. Outra alternativa utilizada foi a obtenção dos relatórios GOOSE dos IEDs. Com eles foi possível avaliar a condição das mensagens GOOSE publicadas e assinadas pelos IEDs, o que permitiu identificar quais mensagens não estavam disponíveis na rede para assinatura. A Fig. 7 apresenta, em destaque, um exemplo em que o IED não conseguiu assinar a mensagem GOOSE prevista. Deve-se salientar que a coleta do relatório GOOSE foi realizada por meio da utilização do programa do fabricante do IED. A impossibilidade de assinatura da mensagem GOOSE como mostrado na Fig. 7, implica na não atuação das funções Seletividade Lógica (68) e Falha de Disjuntor (50BF). A falha foi na configuração do IED publicador da mensagem, a correção foi realizada com uma reconfiguração. V. ANÁLISE DOS RESULTADOS Esta seção tem o objetivo de apresentar os resultados encontrados durante os testes realizados na SE estudada. A. Mapas GOOSE Com a realização dos testes foi possível elaborar o Mapa GOOSE para a SE estudada, cujo resultado pode ser expresso em forma de tabela. A tabela completa com todo o mapeamento possui 129 linhas, sendo parte desta apresentada na Tabela I. É importante destacar que o Mapa GOOSE constitui uma importante ferramenta complementar à documentação tradicional, como os diagramas funcionais e lógicos, pois promove uma grande agilidade na interpretação do funcionamento do sistema, análise de falhas e identificação de ações corretivas. Todavia, um ponto de atenção é a necessidade de atualização do mapa a cada modificação realizada no sistema, visto que as alterações podem impactar na quantidade e no endereçamento das mensagens. B. Registro de Mensagens GOOSE Os resultados obtidos pela análise dos registros de mensagens GOOSE serão apresentados em duas etapas, a qualitativa e a quantitativa. Fig. 7. Relatório GOOSE de um IED testado Em face ao tempo de análise requerido para futuras verificações em campo, a utilização do relatório GOOSE por meio do software do fabricante é mais recomendada, uma vez que apenas as mensagens de interesse são observadas, enquanto que o sniffer permite registrar todas as mensagens que circulam na rede, muitas das quais não são pertinentes ao estudo a ser realizado. Porém, se algum IED não disponibilizar o relatório GOOSE, o uso do sniffer se faz necessário. 2) Análise Quantitativa A análise quantitativa das mensagens GOOSE será baseada na medição do TT na rede, ou seja, verificando a diferença entre os tempos de publicação da mensagem e o tempo de assinatura da mesma. Para tanto, serão utilizadas as listas de evento dos IEDs, sendo estes sincronizados com a mesma base de tempo.

5 5 Desta forma, os testes foram executados por meio da circulação de mensagens GOOSE predeterminadas no sistema de automação da subestação, de modo que cada ação tomada gerasse um total de 6 mensagens GOOSE. Esta ação foi repetida 120 vezes, gerando um total de 720 mensagens GOOSE entre 3 IEDs, que serão chamados de A, B e C. Após a realização dos testes, foi observado que o valor médio (M) do TT das mensagens GOOSE foi de 7,6 ms com um desvio padrão (DP) de 1,9 ms. A Fig. 8 apresenta a distribuição do TT das mensagens. Observa-se que estas foram classificadas em 5 categorias, baseadas nas medidas da média e desvio padrão calculados. Junto com o gráfico de distribuição dos Tempos de Transferência medidos, em formato de barras, foi traçada uma curva com os valores medidos, analisando graficamente, observa-se grande semelhança com uma curva de distribuição normal ou gaussiana. publicam as mensagens e o IED-C se responsabiliza por assiná-las. Além disso, o tempo médio do TT das mensagens publicadas pelo IED-B e assinadas pelo IED-C encontra-se em um patamar 15% superior à média geral. TABELA III TEMPO MÉDIO DE TRANSFERÊNCIA DAS MENSAGENS GOOSE Tipo Média (ms) A->B 7,1 A->C 8,2 B->A 6,5 B->C 8,7 C->A 7,7 C->B 7,2 Outra avaliação realizada diz respeito ao cálculo da média das mensagens publicadas ou assinadas por cada um dos 3 IEDs envolvidos, como apresenta à Tabela IV. Verifica-se também que a média do TT das mensagens assinadas pelo IED-C (->C) é 8,4ms, um valor 11% superior ao TT médio. TABELA IV MÉDIA DE TEMPO DE TRANSFERÊNCIA DE MENSAGENS GOOSE Tipo Média (ms) A-> 7,6 ->A 7,1 B-> 7,6 ->B 7,1 C-> 7,4 ->C 8,4 Fig. 8. Distribuição Estatística do Tempo de transferência Analisando a Fig. 8, observa-se que 65,7% das mensagens apresentam TT na faixa de M-1DP a M+1DP, 96,4% das mensagens apresentam TT na faixa de M-2DP a M+2DP. Os valores percentuais também comprovam a semelhança da distribuição dos tempos medidos com uma Distribuição Normal. As 3,6% mensagens com TT acima de M+2DP, foram tabuladas e são mostradas na Tabela II. TABELA II DISTRIBUIÇÃO DAS MENSAGENS COM TEMPO DE TRANSFERÊNCIA MAIOR QUE M+2DP Tipo Quantidade Percentual A->B 7 28% B->C 15 60% A->C 2 8% C->B 1 4% Na Tabela II, observa-se que 68% das mensagens GOOSE com TT maior que M+2DP são mensagens assinadas pelo IED C. Isto pode ser explicado devido a quantidade de lógicas implementadas no IED C que é bem superior as funções parametrizadas nos IEDs A e B. Outra avaliação quantitativa realizada foi a média geral de cada tipo de mensagem. Na Tabela III são mostradas as médias de cada conjunto de Publicador Assinante das 720 mensagens analisadas. Pode-se observar que as maiores médias coincidem com as assinaturas das mensagens pelo IED-C, ou seja, os outros IEDs O TT médio para um universo de 720 mensagens GOOSE foi 7,6ms, para um carregamento de rede próximo de zero. Medições realizadas em laboratório por [5], mostram que o valor do TT pode variar muito com o carregamento da rede. O valor de TT medido na SE real é equivalente ao medido por [5] em laboratório para o caso de um carregamento da rede de aproximadamente 15%. C. Teste do IED com Caixa de Testes Os testes dos IEDs são importantes para verificar a correta atuação dos mesmos. A falha no sistema identificada no item B da seção V poderia ser identificada caso o IED publicador das mensagens GOOSE tivesse passado por um teste utilizando uma caixa de testes com módulo GOOSE. Para realização dos testes dos IEDs, foi utilizado o software Test Universe da OMICRON, [8-9] no qual é possível obter os tempos de reação dos dispositivos, além de fornecer os sinais de tensão e de corrente necessários no desenvolvimento dos ensaios. O teste foi dividido em 7 etapas, sendo que cada uma das etapas avalia a atuação de um grupo de lógicas e/ou funções de proteção. Será detalhada uma das etapas que foi a de teste do trip do IED por sobrecorrente (50) e Bloqueio por Seletividade Lógica (68). Quando uma corrente superior ao pickup circular pelo IED, ele deve publicar uma mensagem de trip. Caso o IED esteja assinando uma mensagem de bloqueio, o IED não deve publicar o trip.

6 6 Foram identificados dois estados para a execução do teste: A) Caixa aplica 8A IED publica trip. B) Caixa aplica 8A e publica bloqueio O IED assina o bloqueio e não publica o trip. Na Fig. 9 são mostrados os estados configurados no programa que comanda a caixa de testes. (a) (c) Fig. 9. Configuração de uma etapa do teste: (a) Estado A; (b) Estado B; (c) Resultados. Na Fig. 9, observa-se a configuração do teste, na parte superior, e os valores medidos, na parte inferior. Dois dos estados configurados no programa correspondem aos estados listados (a) e (b). A quantidade maior de estados no programa é devido a três estados condição inicial, intervalo e fim, que servem apenas para organizar o teste. Na Fig. 9 (c), observa-se os pontos de medição realizados. Na linha 1 observa-se que, após a injeção de corrente de 8A trifásico, é esperado que o IED publique uma mensagem GOOSE de trip em 210ms. O tempo medido foi 240,7ms, dentro da faixa esperada. Na linha 2, observa-se que após a injeção de corrente de 8A trifásico e da publicação de um sinal de bloqueio pela caixa de testes, é esperado que o IED publique uma mensagem GOOSE de trip em 410ms, tempo para atuação de outra função de sobrecorrente que não é bloqueada. O tempo medido foi 439,4ms, dentro da faixa esperada. A utilização da caixa de testes para a medição dos tempos de respostas dos IEDs é de conhecimento dos técnicos e engenheiros de proteção. A utilização do módulo GOOSE no equipamento utilizado no teste não implicou em dificuldades adicionais. (b) VI. CONCLUSÕES A aplicação das ferramentas de testes se mostrou factível e apresentou resultados coerentes. O Mapa GOOSE se mostrou uma ferramenta complementar a documentação tradicional como diagramas funcionais e lógicos e que promove uma grande agilidade na interpretação do funcionamento do sistema, análise de falhas e identificação de ações corretivas. Um ponto de atenção é a necessidade de atualização do mapa a cada modificação realizada no sistema. A avaliação qualitativa aplicada pode ser realizada utilizando o relatório GOOSE do IED ou o programa sniffer. Durante os testes foi identificado um IED que não estava publicando mensagens, mostrando a eficácia da ferramenta. A avaliação quantitativa mediu o Tempo de Transferência de mensagens GOOSE em uma SE real, o valor médio obtido foi coerente com medições realizadas em laboratório. A medição do TT pode embasar as equipes de manutenção e engenharia sobre a condição da rede. As manutenções periódicas podem realizar a medição do TT para a construção de uma tendência ao longo do tempo. Desvios nos valores medidos de TT, sob as mesmas condições de medição, podem indicar a falha de algum equipamento, alteração na configuração do sistema, entre outros. A utilização de uma caixa de testes em IEDs para a verificação de publicação e assinatura de mensagens GOOSE pelos IEDs, se mostrou sem dificuldades adicionais quando comparado com o teste de relés sem GOOSE. REFERÊNCIAS [1] E. Atienza, Testing and Troubleshooting IEC GOOSE-Based Control and Protection Schemes, in Proc rd Annual Conference for Protective Relay Engineers, pp [2] A. Apostolov e B. Vandiver, Testing Requirements for IEC Based Devices, in Proc Power Systems Conference: Advanced Metering, Protection, Control, Communication, and Distributed Resources, pp [3] A. T. A. Pereira, J. C. Ferreira, e T. N. Tavares, Lessons Learned from the use of IEC in Substation Automation Systems, PAC World, vol. 22, pp , Dec [4] Communication networks and systems for power utility automation Part 5: Communication requirements for functions and device models, IEC Standard , 2ª Ed., Jan [5] U. C. Netto, D. de Castro Grillo, I. D. Lonel, e D. V. Coury, A Behaviour Evaluation of Network Traffic in a Power Substation Concerning GOOSE Messages in Proc IEEE Power and Energy Society General Meeting, pp [6] Wireshark User s Guide for Wireshark 1.11, Disponível em [7] Manual de Instruções, SEL-751A Feeder Protection Relay, Schweitzer Engineering Laboratories, INC., Set [8] Manual do Usuário, State Sequencer, OMICRON Electronics. [9] Manual do Usuário, GOOSE Configuration, OMICRON Electronics.