XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 GPC-V 22 a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO V GRUPO DE ESTUDO DE PROTEÇÃO, MEDIÇÃO, CONTROLE E AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE POTÊNCIA UMA NOVA VISÃO DE SISTEMAS DIGITAIS IEC PARA SUBESTAÇÕES Rui Cesar C. Machado(*) Roberto S. Ribeiro Carlos R. Stefano COMPANHIA ESTADUAL DE DISTRIBUICAO DE ENERGIA ELETRICA CEEE D RESUMO O advento da norma IEC trouxe uma mudança de paradigma no setor elétrico internacional. Antes o que era possível somente por fio elétrico denotadamente por hardware, passou a acalentar o uso por meio de interfaces de comunicação de uma forma virtual por software. As funções de proteção com bloqueios, intertravamentos e permissões entre os módulos são tratadas de forma digital, com o envio ou recepção de sinais na rede de comunicação (mensagens GOOSE). Esse enfoque também abriu espaço para o trânsito no mesmo formato de informações de controle, medição e proteção entre subestações. PALAVRAS-CHAVE Norma IEC 61850, Padronização, Integração, Sistemas Digitais em Subestações INTRODUÇÃO A norma IEC define características extremamente interessantes do ponto de vista de otimização do projeto elétrico de subestações. Os fornecedores de equipamentos de proteção elétrica, controle e medição estão aderindo fortemente aos novos conceitos, através do lançamento de produtos com características cada vez mais adaptadas aos padrões sugeridos pela norma. Tais equipamentos possibilitam a integração em sistemas digitais com alto poder de interoperabilidade, escalabilidade e precisão de funcionamento. Baseado nas qualidades proporcionadas ao usuário e a quantidade de fornecedores e equipamentos já adaptados à norma disponíveis no mercado, é possível vislumbrar o futuro deste campo de aplicações como algo irreversível. Depende exclusivamente do integrador de sistemas o sucesso de uma aplicação implantada na subestação, focada na obtenção dos melhores resultados que o atual estágio da tecnologia pode fornecer. A partir desta conclusão é muito interessante para as empresas que já aplicam tais equipamentos, ou pretendem adquiri-los no futuro, estarem preparadas para a aplicação do sistema de controle, medição e proteção de forma a tirar o máximo proveito da padronização estabelecida em norma. (*) Av. Joaquim Porto Vilanova, n 201 prédio E2A - sala 102 CEP Porto Alegre, RS, Brasil Tel: (+55 51) Fax: (+55 51) ruicesar@ceee.com.br

2 CONEXÕES HORIZONTAIS As interligações para troca de informações binárias, em tempo real, entre os equipamentos presentes dentro de uma subestação são feitas com a utilização de cabos elétricos, conectando entradas e saídas digitais. Esta arquitetura pode ser observada na Figura 1. FIGURA 1 Arquitetura atualmente em uso nas subestações Este tipo de conexão, embora extremamente rápida, apresenta algumas desvantagens inerentes à tecnologia. Uma delas é a incapacidade do sistema de diferenciar o nível lógico baixo, normalmente definido pela ausência de tensão na entrada digital, de um cabo de interligação rompido entre a origem do dado e a entrada digital. De forma análoga o sistema digital é incapaz de distinguir entre o nível lógico alto e uma falha na origem do dado que resulte na injeção de tensão na entrada digital como, por exemplo, o rompimento da isolação de cabos ou equipamentos. Outro inconveniente é o repique dos contados das saídas digitais acionadas a relé, que resulta em informações falsas ou, quando eliminadas através da aplicação de filtros, resulta em retardos que devem ser levados em conta no resultado final da aplicação. A interferência eletromagnética, normalmente gerada por descargas naturais ou por falha nos equipamentos da subestação, é outro fator que pode inviabilizar a aplicação do sistema de entradas e saídas cabeados. Neste caso, devem ser observados vários itens de montagem e configuração visando o controle das respostas indevidas do sistema digital frente à indução de tensões espúrias. A troca de dados analógicos também está sujeita aos inconvenientes acima expostos. Os dados são originados com o emprego de medidores ou transdutores e enviados ao sistema digital através de cabos elétricos. Para a transmissão das medições são utilizados padrões industriais de medição em corrente como 4 a 20 mili Ampères, ou protocolos de comunicação, usualmente seriais.

3 3 2.1 Novos Conceitos nas Conexões Horizontais Os novos padrões estabelecidos pela norma IEC apresentam características que, se aplicados corretamente nos equipamentos componentes do sistema digital de uma subestação, equacionam os problemas acima expostos, além de agregar novas possibilidades, que na arquitetura que emprega cabos elétricos, podem se tornar extremamente trabalhosas ou até mesmo inexeqüíveis. A capacidade de crescimento do sistema, ou a total reconfiguração de esquemas de proteção ou controle previamente implantados no âmbito da subestação, são duas tarefas muito simplificadas com a aplicação da norma. Outra qualidade originada deste novo paradigma é a eliminação do cabeamento elétrico usualmente empregado entre os equipamentos componentes do sistema digital, denominados IED s (electronic intelligent devices), com a finalidade de troca de dados. Com a aplicação desta nova característica, e o conseqüente emprego de fibras ópticas como meio de troca de informações digitais, os inconvenientes inerentes ao cabeamento elétrico são imediatamente removidos. Uma abordagem especialmente atrativa é a colocação dos IED s, que compõe o barramento de subestação, junto aos equipamentos elétricos no pátio da subestação. Assim o cabeamento elétrico existente entre os disjuntores, transformadores, etc. e os IED s que coletam dados digitais destes dispositivos, é quase completamente eliminado. Desta forma, o barramento de subestação fica integralmente formado por uma rede de fibras ópticas, o que confere ao sistema digital, do ponto de vista da mídia empregada, extrema confiabilidade na troca de dados digitais e analógicos, ver Figura 2. FIGURA 2 Arquitetura proposta para ser implantada nas subestações

4 4 2.2 Velocidade A questão que surge com o emprego da nova arquitetura é quanto ao impacto na velocidade da transferência dos dados entre IED s e a conseqüente precisão para o caso de transferências múltiplas de um determinado ponto digital. O padrão Ethernet, definido pela norma ISO/IEC , é empregado na camada de enlace de dados, conforme especifica a parte 8-1 da norma IEC Os tipos de mensagens definidos diretamente sobre a camada Ethernet são Tipo 1A mensagens de desligamento (trip), e Tipo 1 mensagens rápidas. O protocolo transportado dentro do pacote Ethernet é o GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) que possui uma estrutura bastante simplificada para obter a maior velocidade de transferência possível entre IED s. A natureza do padrão Ethernet é não determinística, o que abre o precedente para atrasos nas transmissões dos pacotes de dados através da rede com a mídia compartilhada, conforme preconiza a norma CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection). Os atrasos durante a transferência de dados sensíveis ao tempo, como é o caso das mensagens tipo 1A e 1, não são aceitáveis porque podem comprometer o desempenho do sistema como um todo. Este problema é parcialmente resolvido com o emprego de switches que possuem tempos de chaveamento de pacotes da ordem de alguns micro segundos. Baseados na sua alta velocidade de processamento dos pacotes de dados comparativamente aos tempos de reação do sistema digital, os switches são capazes de praticamente isolar o tráfego entre dois IED s (transmissor receptor), de forma a tornar o barramento Ethernet praticamente dedicado aos comunicadores. Por outro lado, as transmissões dos pacotes de dados do tipo GOOSE empregam o endereçamento de destino no formato multicast, o que torna o switch pouco eficaz, uma vez que os pacotes devem ser ecoados em todas as portas, eliminando a qualidade previamente abordada, onde os comunicadores eram isolados aos pares, transmissores receptores, aumentando assim a probabilidade de colisão. Colisão significa retardo na remessa de um pacote de dados, conforme (CSMA-CD). Além das colisões, outro fator decisivo no atraso de envio de um pacote de dados é a má formação ou erro no datagrama. Isto pode ocorrer na origem, quando o IED transmissor processa e coloca no cabo os dados, ou em qualquer outro equipamento de rede intermediário, que necessite receber e retransmitir o pacote para alcançar o IED(s) destino(os). Devemos ter claro que a probabilidade de um pacote mal formado circular na rede é muito menor do que a probabilidade de colisão. Conforme a parte 5 da norma IEC os valores de atraso máximo permitido para as mensagens de transferência rápida de dados ficam entre 3 e 10 mili segundos. Neste atraso deverão ser computados os tempos de processamento interno dos IED s de transferência na rede de comunicação. Foram realizados alguns testes de laboratório com a intenção de verificar o atraso que o sinal digital sofre ao ser transportado através da rede. O paradigma inicial para a elaboração dos testes é de que o cabo elétrico acionado por um contato eletromecânico possui velocidade de transferência, deste dado digital, de praticamente zero mili segundo. Utilizando uma caixa de injeção de corrente, foi simulado no IED, uma falta que aciona simultaneamente um contato auxiliar e envia, através da rede de comunicação, uma mensagem GOOSE para outro IED. Ao receber esta mensagem o segundo IED aciona imediatamente um contato auxiliar. Partindo do princípio que o tempo de acionamento do contato auxiliar é praticamente uniforme, conclui-se que os dois IED terão o mesmo tempo de acionamento dos respectivos contatos. Logo a diferença de tempo medida entre o fechamento do contato do IED originador do dado e do receptor será uma imagem do atraso envolvido na transferência deste dado via rede. Com este método o atraso medido ficou em torno de 10 mili segundos. Outro aspecto medido foi quanto à precisão deste atraso, que ficou em torno de 2 mili segundos para mais ou para menos. 2.3 Confiabilidade A confiabilidade de um sinal transmitido com o uso da rede de comunicações possui dois aspectos importantes que são a qualidade da origem do sinal, e a certeza de recebimento correto pelo IED destino. O primeiro quesito, qualidade, é tratado diretamente no próprio datagrama enviado pelo IED originador do dado. Juntamente com o valor transmitido é remetida também a qualidade da origem deste valor. A partir disto, é simples para o IED receptor tomar a atitude correta para o caso de perda da qualidade do dado recebido. Os campos da mensagem GOOSE são especificados na parte 7-2 da IEC

5 5 Aplicando corretamente as lógicas de controle ou proteção, o sistema digital torna-se extremamente robusto quanto a falha de origem, característica relativamente complexa de implementar quando utilizando cabeamento elétrico para troca de informações analógicas ou digitais. O segundo item da confiabilidade, certeza de recebimento, é abordado também pela norma IEC 61850, através do uso de retransmissões periódicas do dado, no evento da troca de valor. As retransmissões são feitas com o intervalo de alguns mili segundos, garantido que na hipótese de perda de um pacote, o seguinte será corretamente recebido e processado pelo IED receptor DOCUMENTAÇÃO A documentação envolvida em um projeto de controle e proteção elétrica deverá seguir padrões sugeridos na norma IEC A introdução de um documento de ligação entre os diagramas lógicos e o diagrama elétrico é um passo importante para o entendimento de toda a funcionalidade envolvida no projeto. Este documento é chamado de lista de sinais, e deve ser introduzido no processo normal de confecção dos diagramas acima referidos, como uma maneira de simplificar a conexão dos dois documentos. Este elo de ligação é fundamental para o correto entendimento do processo como um todo, uma vez que todas as lógicas e funções empregadas no sistema digital serão desenvolvidadas dentro dos IED s, e a documentação sugerida, neste caso, é a fornecida pela ferramenta de software aplicada para o seu desenvolvimento. Além deste aspecto, a padronização de equipamentos, materiais, formatos, nomenclatura, simbologia, entre outras, fornecerá uma maneira concisa e simplificada para a análise da documentação gerada durante a fase de projeto do sistema digital. De posse de um documento simples e preciso, a operação e manutenção do sistema experimentarão a possibilidade de melhorar seu desempenho, em grande parte devido a quantidade e qualidade das informações a seu dispor CONCLUSÃO A evolução dos equipamentos componentes do sistema digital de uma subestação de energia elétrica está direcionada para a simplificação do processo de montagem elétrica, com a possibilidade de eliminação do cabeamento. A norma que norteia este processo é a IEC que, além disto, trás várias outras vantagens como facilidade de integração entre fornecedores de IED s distintos, escalabilidade para uma aplicação pré-existente, simplicidade de manutenção ou alteração de projetos de integração, entre outras. Para o usuário final poder contar com estas facilidades, o integrador deverá fazer uso correto das potencialidades que a nova tecnologia está disponibilizando. Aplicando apropriadamente as características dos diversos componentes do sistema digital, é possível integrar as trocas de informação entre funções e lógicas de controle ou proteção, reduzindo ao mínimo o cabeamento elétrico, e com isto, eliminando também todas as suas características inconvenientes. O desempenho do sistema digital, com o emprego das trocas de informações através da rede de comunicação, tem nível muito semelhante ao sistema que emprega cabos elétricos. A velocidade de transferência de dados e a confiabilidade são alguns itens notáveis da nova arquitetura, desde que aplicada com consciência dos diversos parâmetros de configuração e ajuste que os equipamentos envolvidos na rede de comunicação necessitam para operar de forma otimizada. Assim esse caminho de padronização e simplificação é o que deve ser perseguido pelas Empresas de Energia Elétrica, buscando maior eficácia nos seus processos e permitir avanços significativos na seletividade e novas funcionalidades nos sistemas digitais para subestações REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) IEC : 2002, Communication networks and systems in substations Part 4: System and project management (2) IEC : 2003, Comunication networks and systems in substations Part 5: Communication requirements for functions and device models

6 6 (3) IEC : 2003, Comunication networks and systems in substations Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment Abstract communication service interface (ACSI) (4) IEC : 2004, Comunication networks and systems in substations Part 8-1: Specific communication service mapping to MMS (ISO and ISO ) and to ISO/IEC DADOS BIOGRÁFICOS Carlos Roberto Stefano Nascido em Pindaguaçu, RS no dia 28 de janeiro de Graduado em Engenharia Elétrica ênfase Eletrotecnica na PUC-RS Empresa: CEEE-D Atua como Engenheiro Eletricista na área de projeto eletromecânico de subestações Roberto Schonhofen Ribeiro Nascido em Porto Alegre, RS no dia 06 de agosto de Mestrado (2002) em Engenharia de Computação na UFRGS e Graduado (1986) em Engenharia Elétrica ênfase Eletrônica na PUC-RS Empresa: CEEE-D Atua como Engenheiro Eletricista na área de automação de subestações Rui Cesar Cambraia Machado Nascido em Alegrete, RS no dia 24 de agosto de Graduado (1986) em Engenharia Elétrica ênfase Eletrônica na PUC-RS Empresa: CEEE-D Atua como Engenheiro Eletricista na área de automação, medição e telecomunicação de subestações