Projecto estruturado de Sistemas de Automação em Subestações segundo a norma Pedro Filipe Moreira Dias

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1 Projecto estruturado de Sistemas de Automação em Subestações segundo a norma Pedro Filipe Moreira Dias Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Prof. Paulo José da Costa Branco Orientador: Prof. Dr. José Luís Costa Pinto de Sá Vogal: Prof. Mário Serafim dos Santos Nunes 2009

2 Projecto estruturado de Sistemas de Automação em Subestações segundo a norma Pedro Filipe Moreira Dias ii

3 Agradecimentos Gostaria de agradecer a todas as pessoas que directa ou indirectamente contribuíram para este trabalho, Em primeiro lugar, agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Eng. Pinto de Sá pela sua ajuda constante ao longo do trabalho e pela oportunidade que me deu de entrar no mundo dos Sistemas de Controlo e Protecção de Subestações. À EFACEC, por todo o apoio prestado, em especial à Engª. Sara Costa pelas dúvidas tiradas e ensinamentos dados sobre Unidades Terminais de Protecção. À Helinks, em especial a Joerg Reuter pelas dúvidas tiradas e soluções apresentadas no decorrer dos vários testes à ferramenta de configuração de sistema, Helinks STS. Agradeço a todos os meus colegas de curso com quem partilhei verdadeiros momentos de alegria da minha vida de estudante. Um especial obrigado aos meus pais e ao meu irmão, pelo constante apoio e preocupação pela minha vida. É a vocês que dedico todo este trabalho. E finalmente, o meu mais sincero e profundo agradecimento à minha namorada Sofia, que me ajuda diariamente a ultrapassar todos os obstáculos e a encarar a vida da forma mais alegre possível. iii

4 Resumo Este trabalho consiste no desenvolvimento de especificações re-utilizáveis de Sistemas de Automação e Protecção para Subestações da EDP, usando as regras de estruturação por objectos e a linguagem SCL (Substations Configuration Language) definidas na nova norma internacional IEC Começa-se por fazer uma breve descrição dos objectivos da norma IEC Descreve-se a sua estrutura da informação, e os modelos de informação e serviços de troca de informação. Seguidamente, apresenta-se uma descrição generalizada da automação em subestações, introduzindo o conceito de Projecto tipo de subestações AT/MT utilizado pela EDP. Através desta descrição, é apresentada a estrutura de uma subestação-tipo, a sua arquitectura, funções de protecção e automatismos. Para compreender de que forma se descreve a configuração da subestação, apresenta-se a linguagem SCL (Substation Configuration Language) e os seus modelos, definidos pela norma IEC De forma a criar, configurar, visualizar e editar todos os elementos da subestação representativa do Projecto tipo da EDP, utiliza-se as ferramentas de configuração de sistemas Visual SCL e Helinks STS. Através destas ferramentas, para além da construção gráfica da subestação e da configuração de todos os elementos associados à mesma, cria-se todos os tipos de ficheiros SCL definidos pela norma IEC Após a criação dos ficheiros pretendidos, utiliza-se a página web da Siemens de forma a detectar os erros obtidos ao nível do código XML. Testa-se ainda a comunicação entre as ferramentas de configuração de sistema e de configuração de IEDs, de forma a saber se é possível alcançar interoperabilidade através da troca de dados entre essas mesmas ferramentas. iv

5 Palavras-Chave IEC Sistemas de Automação Rede de Energia Interoperabilidade Linguagem SCL Substation Configuration Language Subestações v

6 Abstract This work consists in the development of reusable specs for Substations Automation Systems of EDP, applying object-oriented concepts and SCL as defined in the new standard IEC It begins by making a brief description of the objectives of the IEC It describes the structure of the information, and the types of information services and exchange of information. Then it was presented a generalized description of automation in substations, introducing the concept of Project type of substations AT / MT used by the EDP. By this description, it was presented the structure of a substation-type, its architecture, protection and automation functions. To understand how the description of the configuration of the substation is made, the language SCL (Substation Configuration Language) and their models defined by IEC 61850, are presented. In order to create, configure, view and edit all elements of the substation representative of the Project kind of EDP, the tools used for system configuration are Visual SCL and Helinks STS. With these tools, in addition to the graphical construction of the substation and the configuration of all elements associated with it, all kinds of SCL files defined by IEC are created. After the creation of these files, the web page of Siemens is used in order to detect any errors made at the XML code. The communication between the tools for configuring the system and setting up IEDs is tested in order to see if they can achieve interoperability through the exchange of data between these tools. vi

7 Keywords IEC Automation Systems Energy Network Interoperability SCL Language - Substation Configuration Language Substations vii

8 Lista de Conteúdos Agradecimentos... iii Resumo...iv Abstract...vi Lista de Conteúdos... viii Lista de Figuras...x Lista de Tabelas...xi Lista de siglas... xii 1 Introdução Enquadramento Objectivos Organização da Dissertação Norma IEC Objectivos Estrutura IED Dispositivo Electrónico Inteligente Mensagens GOOSE Modelo do Objecto Estrutura da Informação Dispositivos Lógicos Nós Lógicos Dados Classes de dados comuns Atributos Modelos ACSI Conceitos básicos Projecto-tipo da EDP Arquitectura e Organização funcional do SPCC Definição de painéis Funções de protecção Funções de automatismo Linguagem SCL Modelos SCL Modelo da Subestação Modelo do IED Modelo do sistema de comunicação Adequação da SCL ao projecto-tipo Especificação do Sitema de Controlo e Protecção da Subestação Ferramentas de engenharia de sistema Visual SCL Introdução Descrição da Subestação Esquema Unifilar da Subestação Descrição de IEDs Mapeamento de Funções para IEDs Descrição do sistema de comunicação Instâncias de nós lógicos Validação Comunicação entre ferramentas Ferramenta de configuração de IEDs Parâmetros de protocolo IEC Troca de dados entre ferramentas viii

9 5.3.4 ICDs de diferentes fabricantes Testes e Ensaios Funções de Protecção Funções Complementares Configuração dos painéis de saída MT Troca de GOOSE entre IEDs Conclusões Anexo A.1 Estrutura de ficheiros ICD Anexo A.2 Ferramentas de configuração de sistema Anexo A.2.1 Esquema Unifilar da Subestação Anexo A.2.2 Estrutura das secções Anexo A.2.3 Ficheiros SCL Anexo A.2.4 Licenças Anexo A.3 Datasets criados Lista de Referências ix

10 Lista de Figuras Figura 1 Diagrama esquemático de um Dispositivo Electrónico Inteligente [8, figura 3]... 5 Figura 2 Exemplos de aplicação com IEDs [8, figura 4]... 6 Figura 3 Arquitectura da rede de comunicação [8, figura 6]... 7 Figura 4 Aplicação do modelo GSE [2, figura 41]... 7 Figura 5 Modelo do Objecto [11]... 8 Figura 6 Estrutura da informação [18, figura A.2]... 9 Figura 7 Modelo básico de informação [3, figura 2] Figura 8 Modelo de serviços [3, figura 3] Figura 9 Arquitectura e organização funcional do SPCC Figura 10 Relação entre tipos de ficheiros SCL [18, figura A.8] Figura 11 Nomes dentro das diferentes estruturas do object model [1, figura 8] Figura 12 Criação do ficheiro SSD [13] Figura 13 Mapeamento das funções para IEDs [13] Figura 14 Esquema Unifilar da Subestação Figura 15 Descrição da subestação Figura 16 Modelo do IED [13] Figura 17 Ficheiro ICD [13] Figura 18 Descrição do IED D2Q1CB Figura 19 Representação do IED D2Q1CB Figura 20 Processo de mapeamento [13] Figura 21 Propriedades do nó lógico XCBR Figura 22 Secção de comunicação Figura 23 Endereços Figura 24 Templates de dados Figura 25 Ficheiros submetidos a validação [10, figura 3] Figura 26 IEC SCL-Validator [19] Figura 27 Troca de dados entre ferramentas de engenharia Figura 28 Configuração do grupo de dados BRCB_A Figura 29 Configuração do grupo de dados GoOut Figura 30 Subestação resultante da importação do ficheiro SCD Figura 31 Secção do IED IB1S Figura 32 Datasets criados Figura 33 Grupo de dados BRCB_C Figura 34 IED IB1S420 (EFACEC) Figura 35 IED TEMPLATE (AREVA) Figura 36 Bancada de testes Figura 37 Painéis de saída MT Figura 38 Associação entre nós lógicos PTOC Figura 39 GoOut Figura 40 GoIn Figura 41 Configuração do GoIn Figura 42 Entidades Digitais configuráveis Figura 43 Comando de abertura de disjuntor Figura 44 Posição dos disjuntores Figura 45 Comando de bloqueio de emissão GOOSE Figura 46 Alteração da posição dos disjuntores Figura 47 Registo de Eventos Figura A.1 Painel Interbarras no Helinks STS Figura A.2 Painel Interbarras no Visual SCL x

11 Lista de Tabelas Tabela 2-1 Divisões da norma IEC [10, tabela 3-1]... 4 Tabela 2-2 Grupos de nós lógicos [2, tabela 2] Tabela 2-3 Classe de nós lógicos XCBR [5, cláusula ] Tabela 2-4 Classes de dados comuns [18, tabela 3.3] Tabela 2-5 Classe de dados comuns DPC [4, tabela 33] Tabela 2-6 Tipos básicos de atributos [3, tabela 2] Tabela 2-7 Funcional Constraints [3, tabela 18] Tabela 2-8 Condições trigger [3, tabela 19] Tabela 5-1 BRCB_C Tabela 5-2 Nós Lógicos do painel de saída MT Tabela A.1 Licenças do Visual SCL Tabela A.2 Licenças do Helinks STS xi

12 Lista de siglas ACSI Abstract Communication Service Interface BRCB Buffered Report Control Blocks CC - Centro de Comando CDC Common Data Class CER - Centro de Engenharia Remoto CID Configured IED Description FC Functional Constraint GoCB GOOSE Control Blocks GOOSE Generic Object Oriented Substation Event GSE Generic Substation Event GSSE Generic Substation Status Event HMI Human Machine Interface ICD IED Configuration Description IEC International Electrotechnical Commission IED Intelligent Electronic Device IP Internet Protocol ISO International Standards Organization LD Logical Device LN Logical Node MMS Manufacturing Message Specification OSI Open Systems Interconnection PCL - Posto de Comando Local SPCC - Sistema de Protecção, Comando e Controlo numérico SAS Substation Automation System SCD Substation Configuration Description SCL Substation Configuration Language SSD System Specification Description TCP Transmission Control Protocol TPU - Unidade Terminal de Protecção URCB Unbuffered Report Control Blocks XML extensible Markup Language xii

13 1 Introdução 1.1 Enquadramento A introdução da Norma IEC tem possibilitado o desenvolvimento do sector eléctrico no ambiente de sistemas de automação de subestações (SAS). Em particular, a comunicação passa a ser bastante mais simples, o que leva ao melhoramento dos sistemas de protecção, controlo, medição e supervisão de sistemas eléctricos. São vários os artigos publicados até à data que demonstram as potencialidades da norma IEC ([6], [7], [8], [9]). Muitos destes artigos apresentam os principais fundamentos da nova norma e explicam de que forma influenciam os processos de engenharia de automação em todo o mundo. A demonstração de casos possíveis de aplicação e a constante procura de novas soluções para vários tipos de problemas são os principais objectivos destes trabalhos. Este trabalho ilustra a aplicação da norma à descrição estruturada das Subestações da EDP. 1.2 Objectivos Através deste trabalho pretende-se avaliar a possibilidade de fazer um projecto-tipo da IEC para um conjunto de Subestações, elas próprias descritas por um projecto-tipo. Utilizando as ferramentas de especificação de subestações, o Visual SCL e o Helinks STS, procede-se à configuração da comunicação e das funções do sistema de automação da subestação, e a sua relação com a subestação. É parte integrante deste processo a criação de todo o tipo de ficheiros especificados na parte 6 da norma IEC Finalmente testa-se a comunicação entre as ferramentas de configuração de sistema e de configuração de IEDs. 1.3 Organização da Dissertação A dissertação é constituída por 6 capítulos fundamentais. No Capítulo 1 é feito o enquadramento do trabalho e os objectivos propostos para a realização do mesmo. No Capítulo 2 introduz-se a norma IEC 61850, e de que forma é feita a comunicação e o modelo do objecto. Descreve-se a modelação da informação (estrutura da informação, dispositivos lógicos, nós lógicos, dados, classes de dados comuns e atributos) e os conceitos básicos do modelo ACSI. No Capítulo 3 apresenta-se resumidamente o projecto-tipo da EDP. 1

14 No Capítulo 4 apresenta-se a linguagem SCL e discute-se a adequação desta linguagem ao projecto-tipo da EDP, de modo a evidenciar a adequação das duas realidades SCL e projecto-tipo. No Capítulo 5 utiliza-se a ferramenta Visual SCL de forma a descrever todo o processo de especificação da subestação baseado nos modelos SCL definidos pela norma IEC Ilustra-se ainda a comunicação entre as ferramentas de configuração de sistema e de configuração de IEDs. Esta comunicação pode ser testada recorrendo aos TPU existentes no laboratório de Energia. No Capítulo 6 faz-se um resumo das conclusões tiradas e dos erros encontrados no decorrer da realização do trabalho. No Anexo A.1 apresentam-se as listagens xml representativas da diferença entre estruturas de ficheiros ICD de diferentes fabricantes. No Anexo A.2 faz-se uma análise das ferramentas de configuração de sistema. No Anexo A.3 apresenta-se uma listagem xml com os datasets criados na secção para os blocos de controlo de Report e GOOSE. 2

15 2 Norma IEC Objectivos Um dos principais objectivos da nova norma internacional IEC é garantir a interoperabilidade entre IEDs de diferentes fabricantes. Interoperabilidade significa que um ou mais IEDs de mesmos fabricantes ou de fabricantes diferentes, possam trocar informações entre si e executar todo o tipo funções de protecção e automatismos que se usam nas subestações. Os sistemas de automação de subestações com IEDs e comunicação série têm vindo a crescer, dado o número de sistemas que já existem em todo o mundo. No entanto, IEDs de diferentes fabricantes têm alguma dificuldade em ser combinados num só sistema, devido à falta de um padrão. A norma IEC aparece como uma solução para este problema e reduz ainda substancialmente os custos, o que agrada aos fornecedores que vêem os seus investimentos salvaguardados. A norma IEC é feita de tal forma que permite ainda que esta seja alterada consoante o desenvolvimento dos painéis e das suas funções, numa subestação. Prova disso são as segundas edições de algumas partes da própria norma e uma terceira edição prevista já para Estrutura A norma é então, estruturada em várias partes, cada uma delas abordando um tópico específico. Desta forma, permite-se uma abordagem praticamente completa no que toca aos sistemas de automação de subestações. A tabela 2-1 ilustra as divisões da norma. As duas primeiras partes da norma IEC abordam os aspectos gerais da norma e o glossário dos termos utilizados nas restantes partes. As partes 3, 4 e 5 abordam os principais requisitos de comunicações necessários para uma subestação. São exemplos desses requisitos a capacidade de descrição de um IED, a rápida troca de mensagens entre IEDs e a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes. 3

16 Tabela 2-1 Divisões da norma IEC [10, tabela 3-1] A parte 6 define a linguagem de configuração dos IEDs da subestação, a Substation Configuration Language (SCL), baseada na linguagem Extensible Markup Language (XML), utilizada para descrever o esquema unifilar da subestação, a rede de comunicações, as instâncias de nós lógicos e a sua associação ao equipamento primário. A parte 7 abrange 4 sub-partes. A parte 7-1 descreve os princípios de comunicação e modelos de informação que serão usados nas restantes partes. A parte 7-2 define a interface abstracta de serviços de comunicação (ACSI). Nesta parte são descritos os modelos e serviços de comunicação entre dispositivos numa subestação. A parte 7-3 define as classes de dados comuns (CDC). Nesta parte é feita a especificação das CDC e das estruturas de dados que fazem parte dos nós lógicos. Finalmente a parte 7-4 descreve as classes de nós lógicos e classes de dados compatíveis. Nesta parte é feita a especificação de todos os nós lógicos. A parte 8-1 especifica o mapeamento de objectos e serviços de ACSI (Abstract Communication Service Interface, IEC ) para MMS (Manufacturing Message Specification, ISO 9560) e ISO/IEC O mapeamento do ACSI para MMS define a forma como os conceitos, objectos e serviços ACSI são implementados usando os conceitos, objectos e serviços MMS. Este mapeamento permite a interoperabilidade entre funções implementada por diferentes fabricantes. A parte 9 define a forma como é feito o mapeamento específico dos serviços de comunicação. Na parte 9-1 é definida uma ligação Unidirectional Multidrop Point-to-Point para transporte de um conjunto fixo de dados. Na parte 9-2 é definido um conjunto de dados configurável que pode ser transmitido em ligações multicast entre um publisher e subscribers. Na parte 10 são abordados os testes de conformidade que definem o que deve ser testado num IED e quais os resultados esperados para que este possa estar em conformidade com a norma IEC Definem-se os procedimentos de ensaio de equipamentos e sistemas, a documentação 4

17 necessária para a sua realização e regras para validação e certificação de empresas que os executem. 2.3 IED Dispositivo Electrónico Inteligente Os IEDs têm uma enorme importância nos sistemas de automação em subestações. Estes dispositivos são unidades que realizam todo o tipo de funções e são utilizados para a protecção, controlo, medição e monitorização de sistemas eléctricos. A Figura 1 representa o esquema de um IED: Figura 1 Diagrama esquemático de um Dispositivo Electrónico Inteligente [8, figura 3] A norma IEC especifica que um ou vários IEDs devem possuir várias funções, funções essas que são essenciais para o correcto funcionamento de uma subestação. Estes IEDs permitem diferentes tipos de interface com o utilizador, entre as quais se destaca uma das mais importantes, a comunicação remota. No caso particular da norma IEC 61850, a interface actual de comunicação é feita através de portas de comunicação em TCP/IP, permitindo que os IEDs possam comunicar entre si de uma forma mais rápida e simples. Cada IED, ou porta de comunicação do IED, apresenta um endereço IP que permite a troca de informações no ambiente de rede Ethernet. A possibilidade de comunicação dos IEDs aparece do próprio avanço da tecnologia, que hoje em dia já permite que os dados sejam tratados digitalmente. Uma vez que os dados se encontram na forma digital, estes podem ser trocados de uma forma simples entre os diversos IEDs, através da comunicação série, normalmente por fibra óptica, o que reduz bastante a quantidade de cabos existente nas subestações (Figura 2). 5

18 2.4 Mensagens GOOSE Figura 2 Exemplos de aplicação com IEDs [8, figura 4] A comunicação horizontal é especificada pela norma IEC como parte da configuração da automação de subestações. Neste tipo de comunicação é possível que os IEDs troquem informação entre si, garantindo que são realizadas funções específicas de cada um, que por sua vez, podem depender de informações provenientes de outros IEDs. A comunicação horizontal prevista pela norma IEC é realizada através das mensagens GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event). Apenas os dispositivos interessados na mensagem irão receber a informação que lhes é necessária. O conceito de comunicação horizontal não é novo, isto é, alguns fabricantes utilizam a comunicação entre IEDs há alguns anos. Esta comunicação era possível e fazia-se, no entanto, não era de implementação imediata, tinha de ser programada caso a caso. Uma das grandes vantagens da norma IEC é permitir que esta comunicação seja realizada entre IEDs de diferentes fabricantes, algo que até à data não era possível. A Figura 3 apresenta uma representação simplificada da arquitectura de comunicação. Nesta figura podem ser facilmente identificados os IEDs de protecção e controlo, a estação de controlo incluindo IHM (Interface Homem Máquina) e uma gateway para o acesso de outras redes. Nesta rede podem circular dois tipos de mensagens. As mensagens GOOSE (comunicação horizontal) entre vários IEDs de diferentes fabricantes, e as mensagens verticais que partem dos IEDs em 6

19 direcção à estação de controlo, em que o principal objectivo é a supervisão e controlo da subestação através do IHM disponível para o operador. Figura 3 Arquitectura da rede de comunicação [8, figura 6] Uma das formas de exemplificar a comunicação horizontal é através da utilização do modelo GSE (generic substation event model). Este modelo é bastante importante, visto que, suporta a implementação de aplicações em tempo real. A Figura 4 apresenta a aplicação deste modelo e todas as suas capacidades. Figura 4 Aplicação do modelo GSE [2, figura 41] 7

20 (1) O nó lógico PDIS detecta uma falha e decide enviar uma mensagem GOOSE (2) O nó lógico PTRC envia a mensagem GOOSE e o disjuntor XCBR0 recebe-a. Após a análise da mensagem, o disjuntor abre o switch (3) A informação da mudança do switch do disjuntor de ON para OFF é actualizada e enviada para os relés (4) O nó lógico RREC recebe a mensagem GOOSE enviada pelo XCBR0. De acordo com a sua configuração, o RREC decide fechar o switch disjuntor e envia a mensagem para o XCBR0 (5) O XCBR0 recebe a mensagem GOOSE vinda do RREC e após análise decide fechar o switch disjuntor. O XCBR0 actualiza a informação da mudança do switch do disjuntor de OFF para ON 2.5 Modelo do Objecto As partes 7-3 e 7-4 da norma IEC especificam o modelo do objecto da subestação. A figura seguinte mostra a organização hierárquica dentro de um dispositivo físico. Figura 5 Modelo do Objecto [11] O dispositivo físico representa um IED e está internamente dividido em vários dispositivos lógicos. Os dispositivos lógicos encontram-se por sua vez divididos em vários nós lógicos, cada um deles com os seus próprios dados e serviços. 8

21 2.5.1 Estrutura da informação IEC A Figura 6 ilustra a forma hierárquica como a informação se encontra estruturada pela norma Dispositivos Lógicos Figura 6 Estrutura da informação [18, figura A.2] Os dispositivos lógicos são agrupamentos de nós lógicos. Os Grupos de nós lógicos encontram-se especificados na parte da norma IEC Em cada dispositivo lógico existe obrigatoriamente uma instância de nós lógicos LLN0 que contem a informação comum a todo o dispositivo lógico. A tabela 2-2 ilustra os grupos de nós lógicos definidos pela norma IEC

22 Tabela 2-2 Grupos de nós lógicos [2, tabela 2] Nós lógicos Os nós lógicos são vários dispositivos abstractos, cada um com a sua funcionalidade e dados próprios. Dentro de cada nó lógico estão definidos vários dados, cada um deles com uma classe específica definido na parte da norma IEC Ao todo existem 92 nós lógicos definidos pela norma IEC Dados Os dados representam a informação que está contida nos nós lógicos. Podem ser mandatários ou opcionais, consoante a sua presença seja ou não obrigatória num nó lógico. Por exemplo, a classe de nós lógicos XCBR, que modela o equipamento disjuntor, possui o dado Pos que representa a sua posição (Tabela 2-3). O dado Pos é mandatário e pertence à classe de dados Sinalização Dupla Controlável (DPC). 10

23 2.5.5 Classes de dados comuns Tabela 2-3 Classe de nós lógicos XCBR [5, cláusula ] As classes de dados comuns (CDC) utilizam-se para simplificar o processo de definição de dados. Deste modo define-se uma estrutura de dados, cada uma contendo vários atributos, que é especificada em cada CDC (Tabela 2-4). As classes de dados comuns encontram-se definidas na parte da norma IEC Tabela 2-4 Classes de dados comuns [18, tabela A.11] Continuando o exemplo atrás mencionado, o dado Pos, que pertence à classe de dados Sinalização Dupla Controlável (DPC) (Tabela 2-5), contém vários atributos, tais como: 11

24 ctlval: comando do disjuntor origin: origem do último comando stval: estado do disjuntor q: qualidade de stval t: datação de stval subena: substituição permitida subval: valor substituído de stval pulseconfig: configuração do impulso de comando d: descrição do dado datans: espaço de nome dos dados Atributos Tabela 2-5 Classe de dados comuns DPC [4, tabela 33] Cada classe de atributos (Tabela 2-6) tem associada a si, um nome e um tipo. A presença de um atributo pode ser mandatária, opcional, condicional mandatária (mandatária apenas para determinadas condições, X_X_M) ou condicional opcional (opcional apenas para determinadas 12

25 condições, X_X_O). Os tipos básicos de atributos estão definidos na parte da norma IEC Tabela 2-6 Tipos básicos de atributos [3, tabela 2] Com base nestes tipos básicos são construídos tipos derivados, especificados nas partes e da norma IEC 61850: Quality: classifica a qualidade da informação. TimeStamp: utilizado para efectuar a datação da informação residente no servidor ou enviada pela rede de comunicação. AnalogueValue: representa uma medida analógica, através de um inteiro ou de uma vírgula flutuante. 13

26 ScaledValueConfig (Configuration of Analogue value): utiliza-se para configurar a representação de um valor analógico utilizando um número inteiro. RangeConfig (Range configuration): define os limites de escala de medida, bem como os seus vários patamares de alarme. ValWithTrsns (Step position with transient indication): representa o estado de um equipamento que possui vários estados. PulseConfig (Pulse configuration): define a forma e a duração de um impulso de comando emitido na sequência de um controlo. originator: contém informação sobre o operador que provocou a última alteração num dado controlável. unit: unidade e multiplicador utilizados num valor analógico. vector: composto pelos atributos mag (amplitude) e ang (ângulo), ambos valores analógicos. point: composto pelos atributos xval e yval, ambos valores analógicos. CtlModels: modelo de controlo utilizado. SboClasses: indica se é um comando simples ou múltiplo. Os atributos são ainda caracterizados pela sua Restrição Funcional (Funcional Constraint, FC) e pelas suas condições de trigger. A FC de um componente representa a função a que os valores desse componente dizem respeito. As FC da Tabela 2-7 encontram-se especificadas no anexo B da parte da norma IEC

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28 Tabela 2-7 Functional Constraints [3, tabela 18] As condições trigger são flags que detectam determinados tipos de alterações de valores. As condições trigger da Tabela 2-8 encontram-se especificadas na parte da norma IEC Tabela 2-8 Condições trigger [3, tabela 19] dchg (data-change): a mudança no valor do dado/atributo provocará a geração de um relatório ou de uma entrada no arquivo. 16

29 qchg (quality-change): a mudança no valor do dado/atributo de qualidade provocará a geração de um relatório ou de uma entrada no arquivo. dupd (data-update): A actualização do valor de um atributo provocará a geração de um relatório ou de uma entrada no arquivo. 2.6 Modelos ACSI Conceitos básicos O ACSI é uma arquitectura bastante útil, na medida em que, os serviços são independentes do conteúdo da informação e do protocolo de comunicação. Os modelos de informação e os serviços de troca de informação estão interligados. Os serviços são muito dependentes dos modelos de informação, visto que, estes últimos especificam quais os serviços que podem realizados num dispositivo especifico. Figura 7 Modelo básico de informação [3, figura 2] Os modelos de ACSI permitem: A especificação de um modelo básico para a definição de modelos de informação específicos para a subestação. 17

30 A especificação da troca de informação nos modelos de serviços. Os modelos básicos de informação (Figura 7) são constituídos pelo servidor, dispositivo lógico, nó lógico e dados: SERVER: representa o comportamento externo visível de um dispositivo. Todos os outros modelos ACSI fazem parte do servidor. LOGICAL-DEVICE: representa um grupo de funções, em que cada função é definida por um nó lógico. LOGICAL-NODE: representa uma função específica do sistema da subestação DATA: fornece meios para especificar a informação. A acrescentar aos modelos acima, o ACSI compreende ainda modelos que proporcionam serviços (Figura 8) que operam em dados e atributos: DATA-SET: permite agrupar dados e atributos. Usado para acesso directo e para relatórios (reporting) e registos (logging). Substitutuion: o cliente pode requisitar o servidor para substituir um valor de processo por um valor definido pelo cliente, por exemplo, no caso de um valor de medida inválido. SETTING-GROUP-CONTROL-BLOCK: define como se muda de um conjunto de setting values para outro e como se edita os setting groups. REPORT-CONTROL-BLOCK e LOG-CONTROL-BLOCK: descreve as condições para gerar relatórios e registos, baseadas nos parâmetros definidos pelo cliente. control blocks for generic substation event (GSE): permite a transmissão rápida e fiável de valores de entrada ou de saída de um IED para vários. control blocks for transmission of sampled values: possibilita a transmissão de amostras de valores de forma organizada e num tempo bem controlado. control: descreve os serviços de controlo. time and time synchronization: fornece uma base de tempos para o dispositivo e para o sistema. file transfer: define de que forma se faz a troca de grandes blocos de dados. 18

31 Figura 8 Modelo de serviços [3, figura 3] 19

32 3 Projecto-tipo da EDP O projecto-tipo da EDP [12] apresenta um conjunto de características técnicas que a subestação tipo AT/MT deve respeitar, bem como, todos os equipamentos constituintes dessa mesma subestação. Neste capítulo define-se a arquitectura, painéis, funções de protecção e automatismos, que devem ser implementados na subestação tipo. No projecto-tipo é definido o SPCC (Sistema de protecção, comando e controlo numérico) que é responsável pela protecção, comando e controlo de todos os órgãos da instalação. É constituído por vários módulos de processamento de informação que, devidamente interligados, lhes permitem desempenhar todas as funções necessárias para o funcionamento de uma subestação, tais como: Modo de funcionamento e encravamentos; Protecções; Automatismos; Gestão da informação; Manutenção e teleparametrização; Interface humano-máquina (IHM). 3.1 Arquitectura e Organização funcional do SPCC A arquitectura da subestação é constituída por três níveis hierárquicos interligados entre si (Fig. 9): Nível 0 - processo. Este nível é constituído por todos os equipamentos AT/MT da subestação com os quais o SPCC interage; Nível 1 - unidade de painel/dispositivo electrónico inteligente (IED). Este nível é constituído por várias unidades de painel que desempenham funções de comando e controlo do processo (Bay level). Cada painel tem associados a si, um ou mais IEDs. Nível 2 - unidade central. Este nível é composto pelo Posto de Comando Local (PCL), Centro de Comando (CC) e Centro de Engenharia Remoto (CER). Este nível desempenha as funções relacionadas com o comando e controlo de toda a instalação no local e à distância. 20

33 3.2 Definição de painéis Figura 9 Arquitectura e organização funcional do SPCC O projecto tipo de subestações AT/MT é constituído por vários tipos de painéis que têm a função de assegurar a ligação entre equipamentos, linhas e barramentos. Os tipos de painéis de AT e MT e a sua respectiva função são definidos seguidamente: Painéis AT Linha AT/Transformador de Potência AT/MT assegura a ligação directa entre a linha de distribuição de AT e o primário do transformador de potência AT/MT; Linha AT assegura a ligação entre o barramento AT e a respectiva linha de distribuição de AT; Transformador de Potência AT/MT assegura a ligação entre o barramento AT e o primário do transformador de potência AT/MT; 21

34 Potencial de Barras AT assegura a ligação entre o barramento AT e os transformadores de medida de tensão do barramento; Interbarras AT assegura a ligação de dois barramentos entre si. Painéis MT Chegada Transformador de Potência assegura a ligação entre o secundário do transformador de potência AT/MT e o barramento do quadro metálico; Linha MT Assegura a ligação entre o barramento do quadro metálico e a respectiva linha de distribuição de MT; Bateria de Condensadores Assegura a ligação entre o barramento do quadro metálico e a bateria de condensadores de MT; Transformador de Serviços Auxiliares e Reactância de Neutro Assegura a ligação entre o barramento do quadro metálico e o transformador MT/BT de serviços auxiliares e a reactância de criação de neutro artificial; Potencial de Barras MT Assegura a ligação entre o barramento do quadro metálico e os transformadores de medida de tensão do barramento; Interbarras MT Assegura a ligação de dois barramentos entre si; Ligação de Barras Assegura a ligação de cada barramento à cela de interbarras. 3.3 Funções de protecção As funções de protecção devem detectar os defeitos da rede e procurar elimina-los o mais rapidamente possível, de modo a garantir uma exploração segura e ao mesmo tempo uma elevada continuidade e qualidade de serviço. Cada uma das unidades de painel integrantes do SPCC alberga um conjunto de funções de protecção, funções essas, que podem ser bloqueadas a qualquer momento. 3.4 Funções de automatismo A utilização das funções de automatismo, que antigamente eram executadas pelos operadores, resultou num aumento de confiança, segurança e disponibilidade do sistema, e ainda contribuiu para uma redução do tempo de interrupção a que os consumidores eram submetidos. Dada a melhoria das condições da subestação, as funções de automatismo têm como objectivo eliminar determinado tipo de defeitos e garantir níveis elevados de qualidade de serviço. Estas funções actuam, de uma forma distribuída, nas várias unidades de painel anteriormente descritas. 22

35 Seguidamente consideram-se todas funções de automatismo utilizadas no projecto tipo de subestação AT/MT: Comutação automática de disjuntores BT; Religação rápida e/ou lenta de disjuntores; Pesquisa de terras resistentes; Deslastre e reposição por tensão; Deslastre e reposição por frequência; Regulação automática de tensão; Comando automático de bateria de condensadores. 23

36 4 Linguagem SCL A parte da norma IEC define a linguagem de configuração dos IEDs da subestação. A linguagem SCL (Substation Configuration Language) tem como base a linguagem XML (Extensible Markup Language) e utiliza-se para descrever o esquema unifilar da subestação, a rede de comunicações, as instâncias de nós lógicos e a sua associação ao equipamento primário. O grande objectivo da utilização desta linguagem utilizada pelos sistemas de automação de subestações é fornecer interoperabilidade entre as várias ferramentas de engenharia de diferentes fabricantes, permitindo assim uma configuração da subestação com independência dos IEDs e suas ferramentas. A norma IEC define vários tipos de ficheiros, identificados pela sua extensão, cada um com uma função específica. ICD (IED Capability Description): descreve as capacidades do IED descrito pelo fabricante em termos de funções de comunicação e de modelo de dados. SSD (System Specification Description): descreve o esquema unifilar da subestação juntamente com as funções executadas no equipamento primário, em termos de nós lógicos. SCD (Substation Configuration Description): descreve a configuração da comunicação e das funções do sistema de automação da subestação e a sua relação com a subestação. Contém todos os IEDs, uma secção de descrição da subestação e uma secção da configuração da subestação. CID (Configured IED Description): descreve uma instância de IED totalmente configurado. A figura 10 representa a forma como os vários tipos de ficheiros estão relacionados. As capacidades da linguagem SCL resultam de duas características: O modelo standard com a sua semântica associada a ele: IEDs e funções encontramse definidas na parte x, e as funções da subestação definidas na parte A linguagem standard utilizada para descrever instâncias do modelo. Permite a troca de modelos ou de partes de modelos entre diferentes aplicações. Cada ficheiro SCL tem um cabeçalho que contém a referência do documento e a versão ou revisão histórica do mesmo. O SCL especifica a forma como estes dados são representados em XML, o que permite, diferenciar as várias versões dos ficheiros de descrição das capacidades dos IEDs (.ICD) ou da descrição da configuração das subestações (.SCD). 24

37 Figura 10 Relação entre tipos de ficheiros SCL [18, figura A.8] O ficheiro ICD contém uma secção para o tipo de IED descrito. Esta descrição do IED contém: O serviço de comunicação relacionado com as capacidades do IED. A configuração relacionada com as capacidades de um IED, como por exemplo, quantos blocos de controlo podem ser configurados dinamicamente. A funcionalidade em termos de nós lógicos e dos dados contidos nos objectos. Quando um IED é utilizado, é criada uma instância de um IED que é inserida como uma secção dentro do sistema do ficheiro SCD. Esta instância tem associada a si um nome específico de um IED. 4.1 Modelos SCL A linguagem SCL define três tipos de modelos. Os modelos da subestação, IEDs e sistema de comunicação. Estes modelos encontram-se especificados na parte da norma IEC Modelo da Subestação O modelo da subestação, orientado de uma forma hierárquica por objectos, é baseado na estrutura das funções da subestação. Cada nome ou designação de um objecto é derivado do seu local na hierarquia desse objecto. Subestação: o objecto que identifica toda a subestação. 25

38 Painel: uma parte ou sub-função da subestação. O nível de tensão (voltage level) é considerado um atributo desta parte. Dispositivo primário: representa os equipamentos contidos na subestação, como por exemplo, o transformador ou o disjuntor. Nó de conexão: representa o nó que faz a conexão entre os diferentes tipos de equipamentos primários, como por exemplo, os nós de conexão entre equipamentos constituintes de um painel Modelo do IED IED: representa um equipamento do sistema de automação de subestações que permite a realização de funções através do auxílio de nós lógicos. Servidor: representa uma entidade de comunicação dentro de um IED que permite o acesso, através do sistema de comunicação (access points), aos dados dos dispositivos lógicos contidos no servidor. Dispositivo Lógico: representa um dispositivo lógico contido num servidor de um IED. Nó Lógico: representa um nó lógico contido num dispositivo lógico de um IED. Dados: representa os dados contidos nos nós lógicos Modelo do sistema de comunicação O modelo de comunicação, ao contrário de outros, não é um modelo hierárquico. Este modelo representa a forma como as ligações são feitas entre IEDs pela rede através de pontos de acesso. Sub-rede: representa um nó de conexão para comunicações entre pontos de acesso. Todos os pontos de acesso que estão ligados a um barramento podem comunicar com todos os outros pontos de acesso ligados ao mesmo barramento. Ponto de acesso: representa um ponto de acesso que permite a comunicação dos dispositivos lógicos de um IED a um barramento. É obrigatório que exista pelo menos uma conexão entre um dispositivo lógico e um barramento. Um ponto de acesso pode, no entanto, servir vários dispositivos lógicos, e os nós lógicos contidos no dispositivo lógico podem, como clientes, usar vários pontos de acesso para ligar diferentes barramentos. 26

39 A Figura 11 representa alguns dos nomes especificados pelos modelos definidos anteriormente. Figura 11 Nomes dentro das diferentes estruturas do object model [1, figura 8] 4.2 Adequação da SCL ao projecto-tipo Um dos importantes objectivos deste trabalho passa por analisar a adequação da linguagem de configuração da subestação ao projecto-tipo estruturado pela EDP. Uma correcta adequação entre a linguagem de configuração e o projecto-tipo deve ser alcançada, para que todas as configurações da subestação sejam implementadas. Com a análise do projecto-tipo e dos modelos SCL definidos pela norma IEC 61850, é evidente a correspondência quase natural entre os mesmos. A arquitectura da subestação definida pelo projecto-tipo pode ser facilmente implementada recorrendo aos modelos SCL especificados na norma IEC As funções de protecção podem ser representadas através de nós lógicos, no entanto, os automatismos não são definidos pela SCL e devem ser implementados através da lógica programável definida na norma IEC A adequação destas duas realidades, projecto-tipo/edp, é demonstrada seguidamente através da utilização da ferramenta de configuração de sistema e da sua comunicação com a ferramenta de configuração de IEDs. 27

40 5 Especificação do Sistema de Controlo e Protecção da Subestação No presente capítulo apresenta-se todo o processo de especificação da subestação de forma a criar ficheiros SCD, de descrição da configuração da subestação. Estes ficheiros são criados com base na subestação do projecto-tipo da EDP. São apresentadas e utilizadas as ferramentas de especifícação de subestações de forma a realizar todo o trabalho de engenharia da subestação. O ficheiro SCD criado passará no sistema de validação da página web da Siemens de forma a comprovar a validade do código XML produzido. Finalmente ilustra-se a comunicação entre a ferramenta de configuração de sistema e de configuração de IEDs. 5.1 Ferramentas de engenharia de sistema A criação de ficheiros SCL definidos segundo a norma IEC pode ser realizada através de várias ferramentas presentes no mercado. Neste trabalho experimentaram-se as seguintes: Visual SCL da ASE SCL Manager da Kalkitech Helinks STS da Helinks Qualquer destas ferramentas proporciona a criação do esquema unifilar de subestações (Single Line Diagram), especificação das funções do sistema de automação da subestação e criação dos ficheiros SCL. No entanto, estes programas são ainda bastante recentes e estão sujeitos a constantes actualizações por parte dos fabricantes. O Visual SCL demonstra alguns problemas ainda numa fase inicial em que se pretende simplesmente desenhar o esquema unifilar da subestação, não sendo possível efectuar algumas ligações entre equipamentos. O programa também reage mal a simples mudanças de nomes, como por exemplo, em níveis de tensão, disjuntores ou barramentos. O SCL Manager possui uma melhor interface gráfica mas também apresenta os erros do programa anterior quando se pretende desenhar o esquema unifilar da subestação. O Helinks STS supera os outros, visto que, não apresenta quaisquer problemas no desenho do esquema unifilar da subestação. Para a elaboração do trabalho, utilizou-se o Visual SCL disponibilizado pela EDP e o Helinks STS por ser gratuito. Todos os exemplos que se seguem são provenientes destas duas ferramentas. 28

41 5.2 Visual SCL Introdução O Visual SCL é uma ferramenta gráfica que permite ao utilizador criar, configurar, visualizar e editar todos os elementos de uma subestação e todos os modelos de dados a ela associados, especificados segundo a norma IEC Esta ferramenta retira toda a complexidade da norma IEC 61850, ou seja, fornece uma interface gráfica que permite ao utilizador construir subestações, configurar os vários elementos a ela associados e criar todos os tipos de ficheiros SCL sem possuir qualquer conhecimento da linguagem XML. A configuração da subestação começa com o desenho do esquema unifilar da mesma. Seguidamente associam-se todas as funções para cada equipamento. Finalmente obtém-se o ficheiro SSD de descrição da especificação do sistema. Figura 12 Criação do ficheiro SSD [13] De seguida carregam-se os ficheiros ICD de descrição das capacidades do IED fornecidos pelo fabricante e procede-se ao mapeamento das funções para os IEDs Descrição da Subestação Figura 13 Mapeamento das funções para IEDs [13] A descrição da subestação é feita tendo em conta o modelo da subestação definido pela linguagem SCL (modelo da subestação secção 4.1.1). A norma IEC define uma secção subestação (substation section) utilizada para descrever a estrutura funcional da subestação e para identificar os equipamentos primários e todas as suas ligações eléctricas. Os nós lógicos também fazem parte desta secção e podem ser incluídos em cada nível da estrutura da subestação, no entanto, as instâncias de nós lógicos do mesmo nível devem ter identificações diferentes. 29

42 5.2.3 Esquema Unifilar da Subestação A 1ª fase do trabalho consiste no desenho do esquema unifilar da subestação com todos os equipamentos associados à mesma. Para isso utiliza-se o editor gráfico do Visual SCL que permite o desenho das estruturas da subestação, de todo o equipamento geral e de potência e a associação de nós lógicos a esse mesmo equipamento. Com base no projecto-tipo da EDP, começa-se por desenhar uma subestação genérica para fins ilustrativos. A subestação é composta por dois níveis de tensão (60kV e 15kV), 4 painéis e todos os equipamentos definidos no projecto-tipo. Figura 14 Esquema Unifilar da Subestação A secção subestação é uma estrutura hierárquica funcional da subestação e através dela é possível identificar todos os elementos constituintes da subestação definidos pelo modelo SCL (modelo da subestação). Nesta secção é possível identificar claramente a estrutura da subestação definida pelo modelo SCL: Subestação, painéis, equipamentos primários e nós de conexão. 30

43 Figura 15 Descrição da subestação O ficheiro SSD de descrição da especificação do sistema criado após o desenho do esquema unifilar da subestação pode ser aberto externamente de forma a consultar o código fonte em XML. Através do código XML é possível ver claramente que todos os elementos da subestação definidos pela norma IEC foram criados. O exemplo seguinte representa a bay Q2 (nível de tensão D2) que contém os nós lógicos PDIS e PDIF (protecções de distância e diferencial) e o transformador de intensidade TI2 com todas as ligações eléctricas. Nenhuma ligação com IEDs está definida nesta secção. <Substation name="s1"> </VoltageLevel> <VoltageLevel sxy:x="282" sxy:y="437" name="d2" xmlns:sxy=" 31

44 <Voltage unit="v" multiplier="k">15</voltage> <Bay sxy:x="10" sxy:y="10" name="q1"> <LNode lninst="1" lnclass="pdif" /> <LNode lninst="1" lnclass="pdis" /> <ConductingEquipment sxy:x="85" sxy:y="52" name="ti2" type="ctr"> <LNode lninst="1" lnclass="tctr" /> <Terminal ease:origin="a" connectivitynode="s1/d2/q1/l1" substationname="s1" voltagelevel- Name="D2" bayname="q1" cnodename="l1" xmlns:ease=" /> <Terminal ease:origin="b" connectivitynode="s1/d2/q1/l2" substationname="s1" voltagelevel- Name="D2" bayname="q1" cnodename="l2" xmlns:ease=" /> <Terminal ease:origin="a" connectivitynode="s1/d2/q1/l13" substationname="s1" voltagelevel- Name="D2" bayname="q1" cnodename="l13" xmlns:ease=" /> <Terminal ease:origin="a" connectivitynode="s1/d1/q2/l18" substationname="s1" voltagelevel- Name="D1" bayname="q2" cnodename="l18" xmlns:ease=" /> <Terminal ease:origin="a" connectivitynode="s1/d2/q1/l21" substationname="s1" voltagelevel- Name="D2" bayname="q1" cnodename="l21" xmlns:ease=" /> Descrição de IEDs Na secção dos IEDs é feita a descrição da configuração dos vários IEDs, ou seja, os seus pontos de acesso, dispositivos lógicos, e instâncias de nós lógicos. Descreve-se ainda as capacidades dos IEDs em termos de serviços de comunicação e, dentro dos nós lógicos, as instâncias de dados. A norma IEC define que apenas pode existir uma secção de IED por cada IED criado. Um IED é definido pelo servidor e pelos serviços que proporciona. Um IED tem um ou mais pontos de acesso que ligam esse IED à rede. Cada um desses pontos de acesso dá acesso ao servidor. O servidor contém tudo o que é definido para ficar visível e acessível à rede de comunicação. Figura 16 Modelo do IED [13] 32

45 O Visual SCL permite a criação de IEDs de raiz ou a importação de ficheiros ICD de descrição das capacidades do IED. Figura 17 Ficheiro ICD [13] Uma vez criada a secção dos IEDs, é possível verificar que esta segue a especificação do modelo do IED (modelo do IED) da norma IEC Como se pode ver seguidamente, esta secção é estruturada de uma forma hierárquica. Figura 18 Descrição do IED D2Q1CB2 A norma IEC específica que cada IED deve ter um nome único. Neste caso o IED CB2 é composto pelo prefixo D2Q1. Isto significa que o IED CB2 faz parte da bay Q1 (nível de tensão D2). Esta é a única forma de, na ferramenta, associar o IED ao disjuntor CB2. O Visual SCL possui uma secção que representa os IEDs criados e a sua associação aos elementos da subestação. O ficheiro CID de descrição da configuração de um IED é criado pelo Visual SCL e pode ser consultado externamente de forma a verificar o código XML criado. O exemplo seguinte representa o modelo do IED especificado pela norma IEC 61850: o IED, servidor, dispositivo lógico, nós lógicos e os seus dados. 33

46 Figura 19 Representação do IED D2Q1CB2 <IED name="d2q1cb2" desc="substation" type="sepam S41" manufacturer="merlin Gerin" config- Version="2.0"> <Services> <AccessPoint name="ap1"> <Server> <LDevice inst="ld0"> <LN0 desc="general" lntype="lln0_sepam4080" inst=""> </LN0> <LN desc="device" lntype="lphd_sepam2040" lnclass="lphd" inst="1" prefix=""> </LN> <LN desc="circuit Breaker" lntype="xcbr_sepam2040" lnclass="xcbr" inst="1" prefix=""> <DOI name="loc"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:ss;s:1076</private> </DOI> <DOI name="eehealth"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:es;s:108b;s:1079;p:3</private> </DOI> <DOI name="opcnt"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:is;m:1ac:32u</private> </DOI> <DOI name="pos"> 34

47 <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:do;s:10b1</private> </DOI> <DOI name="blkopn"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:so;p:4</private> </DOI> <DOI name="blkcls"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:so;p:4</private> </DOI> <DOI name="sumswars"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:bc;m:1aa:32u</private> </DOI> <DOI name="ophrscnt"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:is;m:1b2:32u</private> </DOI> <DOI name="optmms"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:is;m:1ae:32u</private> </DOI> <DOI name="chatms"> <Private type="schneiderelectric-ied-pntref">t:is;m:1b0:32u</private> </DOI> Mapeamento de Funções para IEDs O mapeamento de funções para IEDs consiste em associar os nós lógicos do esquema unifilar da subestação aos nós lógicos existentes nos IEDs. Figura 20 Processo de mapeamento [13] Como forma de exemplificar o mapeamento de funções para IEDs, faz-se a associação do IED D2Q1CB2 anteriormente criado ao nó lógico XCBR. Esta associação é possível recorrendo às propriedades do nó lógico XCBR e alterando o seu iedname e lntype. 35

48 Figura 21 Propriedades do nó lógico XCBR Descrição do sistema de comunicação Na secção de comunicação descrevem-se as possibilidades de comunicação entre nós lógicos utilizando os pontos de acesso dos IEDs e a Sub-rede. A Sub-rede é vista como um nó de conexão entre pontos de acesso e não como uma estrutura física. Um dispositivo lógico de um IED encontra-se ligado à Sub-rede por um ponto de acesso, que pode representar um endereço lógico de um IED. Os vários endereços podem ser alterados na secção de comunicação de cada IED de forma a implementa-los em unidades terminais de protecção (TPU). Figura 22 Secção de comunicação Ao consultar o código XML do ficheiro CID do IED D2Q1CB2 é possível verificar o ponto de acesso do IED e os vários endereços acessíveis, no entanto, destaca-se o facto de o Visual SCL utilizar uma SubNetwork como nó de conexão em vez de buses. 36

49 Figura 23 Endereços <Communication> <SubNetwork name="s1"> <ConnectedAP iedname="d2q1cb2" apname="ap1"> <Address> <P xsi:type="tp_ip" type="ip"> </p> <P xsi:type="tp_ip-subnet" type="ip-subnet"> </p> <P xsi:type="tp_ip-gateway" type="ip-gateway"> </p> <P xsi:type="tp_osi-psel" type="osi-psel"> </p> <P xsi:type="tp_osi-ssel" type="osi-ssel">0001</p> <P xsi:type="tp_osi-tsel" type="osi-tsel">0001</p> </Address> </ConnectedAP> </SubNetwork> </Communication> Instâncias de nós lógicos A norma IEC define instâncias de tipos de nós lógicos. Estas instâncias de nós lógicos são necessárias dentro dos IEDs ou dentro da própria configuração de toda a subestação. Elas são criadas quando se carregam ficheiros ICD para a ferramenta e podem ser utilizadas nos IEDs da subestação que se quer configurar. Na prática, esta secção fornece a descrição da árvore de nós lógicos da unidade correspondente ao ICD e todos dados que lhe estão associados Validação Figura 24 Templates de dados O processo de validação do ficheiro SCD criado pela ferramenta de configuração de sistema pode ser feito através da página web da Siemens. Esta página permite ainda a validação dos ficheiros ICD de descrição das capacidades do IED fornecidos pelo fabricante. 37

50 Figura 25 Ficheiros submetidos a validação [10, figura 3] Figura 26 IEC SCL-Validator [19] Ao passar os ficheiros pela página web verifica-se que o ficheiro ICD possui o XML válido, no entanto, essa validade não se estende ao ficheiro SCD. Final state: XML file is valid. ICD Schema Validation SCD Schema Validation Validation Error in line 7: uncompleted content model. expecting: 38

51 Validation Error in line 18: attribute "connectivitynode" has a bad value: the value does not match the regular expression ".+/.+/.+/.+". Validation Error in line 32: element "ConnectivityNode" is missing "pathname" attribute Validation Error in line 32: field #1 of the key constraint "ConnectivityNodeKey" is not found Validation Error in line 33: field #1 of the key constraint "ConnectivityNodeKey" is not found Validation Error in line 36: element "ConnectivityNode" is missing "name" attribute Validation Error in line 36: field #1 of the key constraint "ConnectivityNodeKey" is not found Validation Error in line 88: element "LN0" is missing "lnclass" attribute Final state: XML file ist not valid. 5.3 Comunicação entre ferramentas A linguagem SCL permite que a descrição da configuração de qualquer IED passe para a ferramenta de engenharia do sistema e que a descrição da configuração de todo o sistema passe, de uma forma compatível, para a ferramenta de configuração de IEDs. O objectivo desta partilha de informação é alcançar interoperabilidade através da troca de dados entre a ferramenta do sistema e de configuração de IEDs. Figura 27 Troca de dados entre ferramentas de engenharia Ferramenta de configuração de IEDs A EFACEC possui um conjunto de Unidades Terminais de Protecção (TPU) projectados para realizar a supervisão e controlo de elementos específicos da rede, tais como, linhas aéreas, baterias de condensadores, transformadores, entre outros. 39

52 Neste trabalho utilizam-se os TPU S420 disponível no laboratório de Energia. Estas unidades foram projectadas para proteger linhas aéreas e cabos subterrâneos, em redes radiais de neutro isolado, sólido ou com impedância limitadora. De forma a obter todos os dados de uma Unidade Terminal de Protecção (TPU), torna-se necessário recorrer a uma ferramenta de configuração de IEDs específicos, o WinProt 4. Esta ferramenta apresenta uma interface de alto nível robusta e amigável das Unidades de Protecção e Controlo da EFACEC da gama 420. O WinProt 4 é composto por vários módulos que permitem a parametrização de cada protecção. É possível parametrizar qualquer função, comparar parametrizações entre relés diferentes e copiar dados de um relé para outro, Para a primeira fase do trabalho, apenas tem interesse a utilização do WinSettings 4. Este módulo permite a consulta e modificação de todos os parâmetros de um TPU Parâmetros de protocolo IEC Figura 28 Configuração do grupo de dados BRCB_A 40

53 O WinSettings 4 possui uma função IEC61850 que permite consultar e configurar os parâmetros de protocolo IEC A unidade é constituída por 4 Buffered Report Control Blocks (BRCB) e dois Unbuffered Report Control Blocks (URCB) que podem ser configurados através da lista de variáveis do dataset associado. A publicação de mensagens GOOSE também pode ser parametrizada através da curva de retransmissão e dos dados relativos a cada GOOSE publicada. Para cada bloco de controlo GOOSE (GoCB) é possível configurar uma série de parâmetros, inclusive o conteúdo do dataset. Figura 29 Configuração do grupo de dados GoOut1 Depois de todos os parâmetros alterados é possível exportar os ficheiros SCD e ICD, de forma a serem utilizados na ferramenta de configuração do sistema Troca de dados entre ferramentas De forma a confirmar a validade dos ficheiros ICD e SCD criados pela ferramenta de configuração de IEDs, o WinSettings 4, importam-se esses mesmos ficheiros para a ferramenta de configuração do sistema, o Visual SCL. 41

54 A subestação resultante do ficheiro SCD importado é composta, ao nível do seu esquema unifilar, por apenas um nível de tensão e uma bay. Figura 30 Subestação resultante da importação do ficheiro SCD A secção dos IEDs contém o IED IB1S420 com as alterações efectuadas nos blocos de controlo Report e GOOSE. Note-se os datasets dos BRCB_A e do GoOut1, criados na ferramenta de configuração dos IEDs. Desta forma é possível assegurar uma boa comunicação de dados entre a ferramenta de configuração de IEDs e a ferramenta de configuração do sistema. A próxima tarefa passa por testar a comunicação, por meio de um ficheiro SCD, entre a ferramenta de configuração do sistema e a ferramenta de configuração de IEDs. Para isso, cria-se um novo dataset para o bloco de controlo de Report, BRCB_C. As alterações são gravadas num novo ficheiro SCD e importadas para o WinSettings 4 com sucesso. Os parâmetros da unidade apresentam as alterações efectuadas pela ferramenta de configuração do sistema. 42

55 Figura 31 Secção do IED IB1S420 43

56 Figura 32 Datasets criados Tabela 5-1 BRCB_C É possível verificar que o dataset criado para o evento BRCB_C está de acordo com o que foi criado na ferramenta de configuração do sistema. 44

57 Figura 33 Grupo de dados BRCB_C Desta forma é possível assegurar uma boa comunicação de dados entre a ferramenta de configuração do sistema e a ferramenta de configuração de IEDs ICDs de diferentes fabricantes A estrutura de um ficheiro ICD deve seguir o modelo do IED especificado na parte 6 da norma IEC Esta estrutura é muito importante, visto que, garante com sucesso a importação do ficheiro ICD pelas ferramentas de configuração de sistema e de configuração de IEDs. Verificou-se anteriormente que o ficheiro ICD criado através do WinSettings 4 é facilmente importável para qualquer ferramenta de configuração do sistema e que corresponde aos parâmetros de uma TPU S420 da EFACEC. Utilizou-se ainda este ficheiro na secção de IEDs da ferramenta de configuração do sistema, com o objectivo de criar um ficheiro SCD compatível com o WinSettings 4. Desta forma assegura-se uma comunicação viável entre ferramentas de configuração de sistema e de IEDs, para ficheiros SCD embebidos com ficheiros ICD da TPU S420 da EFACEC. É importante demonstrar que esta mesma comunicação é viável, ou mesmo possível, recorrendo a ICDs diferentes, de outros fabricantes. Para isso, utiliza-se um ficheiro ICD da AREVA e 45

58 importa-se esse mesmo ficheiro para a ferramenta de configuração de sistema. O ficheiro ICD é importado com sucesso e visível na secção de IEDs da ferramenta. Desde logo são notórias as diferenças face ao ficheiro ICD da EFACEC, principalmente na organização do dispositivo lógico. A AREVA separa o dispositivo lógico em 5 categorias distintas (Control, Measurements, Protection, Records e System), cada uma composta pelos nós lógicos LLN0 e LN. A EFACEC não faz esta separação, separando o dispositivo lógico apenas nos nós lógicos LLN0 e LN. O IEDs não diferem no LLN0, ao nível dos blocos de Report e GOOSE, no entanto, a diferença de estruturas do dispositivo lógico faz com que não seja possível a importação para o WinSettigs 4 de um ficheiro SCD criado com um IED da AREVA. Figura 34 IED IB1S420 (EFACEC) A estrutura dos ficheiros ICD pode ser consultada no Anexo A.1. 46

59 Figura 35 IED TEMPLATE (AREVA) 5.4 Testes e Ensaios Figura 36 Bancada de testes Com a utilização dos TPU S420 que se encontram no laboratório de Energia, podem-se representar dois painéis de saída MT e todas as funções a eles associadas. A bancada de testes que se utiliza para a representação do sistema é composta por dois TPU S420, uma fonte de alimentação 47

60 de corrente contínua, um switch Ethernet para as ligações em rede e um pc portátil com todas as ferramentas de configuração necessárias: A EDP específica um conjunto de funções de protecção e funções complementares que devem ser implementadas para o correcto funcionamento de cada painel de saída. Estas funções são descritas seguidamente, no entanto, esta descrição é meramente informativa, visto que, o que interessa para a configuração dos painéis deste trabalho são apenas os nós lógicos que as representam Funções de Protecção Máximo de Intensidade de Fase (MIF) Esta função extremamente simples tem como objectivo a protecção contra curto-circuitos entre fases em linhas ou cabos de média tensão. Máximo de Intensidade Homopolar Direccional (MIHD) Esta função complementa a anterior adicionando a informação de fase à informação de amplitude de correntes. Máximo de Intensidade Homopolar de Terras Resistentes (PTR) Esta função detecta curtocircuitos à terra muito resistivos, em linhas de média tensão. Condutor partido Esta função detecta a interrupção de uma fase na linha. Presença de tensão Esta função só actua quando é dado um comando de fecho de disjuntor, avaliando se todas as condições são aceitáveis. Cold Load Pickup / Inrush Restraint Esta função procura evitar actuações intempestivas das funções de protecção associadas aos picos de corrente, na sequência de ligação de cargas Funções Complementares Monitorização de disjuntor Esta função permite a actuação rápida das protecções de reserva quando um defeito não é eliminado pelos disjuntores mais próximos do ponto onde ocorreu o curto-circuito. Registo de acontecimentos Esta função regista todas as actuações de funções de protecção e funções complementares, bem como todos os alarmes e sinais digitais externos. Osciloperturbografia Esta função regista a forma de onda dos sinais nas entradas analógicas da TPU S420 e é importante para caracterizar incidentes ocorridos no sistema de energia. Comutação de parâmetros Para o conjunto das diversas funções de protecção, deve ser possível regular pelo menos quatro conjuntos de parâmetros distintos, seleccionáveis por telecomando e/ou comando local. 48

61 5.4.3 Configuração dos painéis de saída MT Depois de conhecidas todas as funções dos painéis de saída MT, torna-se necessário compreender quais os nós lógicos que as representam. Para isso, recorre-se à árvore de nós lógicos do TPU presente no WinSettings 4. Alguns nós lógicos têm associados a si prefixos que ajudam a compreender especificamente o que estes representam. Os nós lógicos que se utilizam para a representação de um painel de saída MT são os seguintes: Nó Lógico XCBR1 GDXSWI1 PFDPTOC1 Função Disjuntor Seccionador de terra Máximo de Intensidade de Fase + Homopolar Direccional RGFDPTOC1 Máximo de Intensidade Homopolar de Terras Resistentes RBRF1 RFLO1 Falha de Disjuntor Localizador de defeitos Tabela 5-2 Nós Lógicos do painel de saída MT Como se pode verificar algumas das funções especificadas pela EDP para os painéis de saída MT não podem ser representadas por nós lógicos, visto não existirem nos TPU S420. Devido a esta limitação, faz-se apenas a representação dos painéis de saída MT com os nós lógicos acima referidos. Através da ferramenta de configuração de sistema, importam-se os ficheiros ICD dos TPUs e faz-se o desenho do esquema dos dois painéis de saída MT. Cada painel de saída MT, de acordo com o que é especificado pelo projecto-tipo da EDP, deve ter um disjuntor, um seccionador de terra e um transformador de intensidade. Através da observação do desenho dos painéis de saída MT, representado seguidamente, verifica-se que existem nós lógicos que associados a IEDs podem representar as funções especificadas pela EDP. Com a importação dos ficheiros ICD dos TPUs para a ferramenta de configuração de sistema, criam-se dois IEDs com toda a informação dos painéis de saída MT existentes no laboratório. O mapeamento de nós lógicos a IEDs (secção 5.2.5) é crucial para que os nós lógicos representados na figura anterior possam realizar funções específicas de cada IED. Por exemplo, neste caso particular existem dois nós lógicos PTOC em cada painel, cada um com uma função distinta. Um destes nós lógicos PTOC está associado à função Máximo de Intensidade de Fase + Homopolar Direccional (PFDPTOC), enquanto que o outro encontra-se associado à função Máximo de Intensidade Homo- 49

62 polar de Terras Resistentes (RGFDPTOC). Esta associação é visível nas secções da estrutura da subestação e da estrutura dos IEDs, como se demonstra seguidamente: Figura 37 Painéis de saída MT Troca de GOOSE entre IEDs Figura 38 Associação entre nós lógicos PTOC A troca de informação entre IEDs é um dos aspectos mais importantes para demonstrar a validade da utilização da norma IEC Para isso, torna-se necessário configurar mensagens GOOSE que serão enviadas/recebidas pelos diversos IEDs que se encontram na subestação. A melhor forma de configurar estas mensagens é utilizar simultaneamente as ferramentas de configuração de sistema e de IEDs, tirando partido do ambiente Windows. 50

63 Para exemplificar a troca de informações entre IEDs simula-se o envio de um GOOSE com o estado da posição de um disjuntor. Para isso, torna-se necessário configurar os parâmetros do TPU que envia essa mensagem GOOSE (publisher) e do TPU que a recebe (subscriber). No Winsettings 4, na secção IEC do TPU que publica a mensagem, configura-se um GOOSE de saída através da opção GoOut1>Config DataSet, com o estado da posição de um disjuntor: Figura 39 GoOut1 Na secção IEC do TPU que subscreve a mensagem GOOSE criada, configura-se um GOOSE de entrada através da opção GoIn1>Configuração do DataSet. Esta opção abre uma janela de diálogo do GOOSE de entrada, onde se pode escolher qual a Unidade que publica a mensagem GOOSE de saída desejada, neste caso a IB1S420: Figura 40 GoIn1 Depois de escolher o GOOSE de saída, neste caso o GoOut1>3 que corresponde ao estado da posição de um disjuntor, abre-se automaticamente uma janela de configuração do dataset do GOOSE de entrada. Como se pode verificar pela Figura 41 e como seria de esperar, no GOOSE de entrada está configurado o estado da posição de um disjuntor. Com os TPU configurados resta apenas verificar se o envio e recepção da mensagem GOOSE são válidos. Para isso utiliza-se o módulo WinTest 4 que permite simular vários modos de funcionamento das unidades da EFACEC. 51

64 Figura 41 Configuração do GoIn1 Através do WinTest 4 é possível verificar o estado das várias entidades digitais dos TPU que se testa (figura 42). Neste caso tem interesse verificar o Estado do Disjuntor (aberto/fechado) e o Bloqueio Emissão GOOSE (activo/inactivo). No registo de eventos verifica-se as alterações das várias entidades digitais quando é dada uma ordem de comando pelo utilizador. Figura 42 Entidades Digitais configuráveis O objectivo do teste que se segue é verificar se a unidade emissora (TPU-E) envia a mensagem GOOSE para a unidade receptora (TPU-R), e se esta a recebe e realiza a sua função. Para isso coloca-se a TPU-E em modo de teste e dá-se uma ordem de comando de abertura do disjuntor: Através desta ordem é possível verificar que ambos os sinópticos das unidades se alteram, ou seja, os disjuntores abrem. Isto significa que a TPU-E recebe a ordem de comando de abertura do disjuntor e envia uma mensagem GOOSE para a TPU-R com a alteração da posição do disjuntor: 52

65 Figura 43 Comando de abertura de disjuntor Figura 44 Posição dos disjuntores Outra forma de testar a validade da mensagem GOOSE é bloqueá-la. Para isso, dá-se uma ordem de comando de alteração de estado de bloqueio de emissão GOOSE na TPU-E: Figura 45 Comando de bloqueio de emissão GOOSE 53