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1 MIGRAÇÃO DAS INSTALAÇÕES EXISTENTES PARA O PADRÃO IEC61850 Antonio Bernardo Praxedes (*) Daniel Fischer Weishaupt Mário Roberto Bastos STD CTEEP CTEEP BRASIL RESUMO Este documento tem por objetivo definir os procedimentos gerais para migração de instalações já existentes para o padrão IEC Estas instalações já possuem equipamentos de supervisão e controle fabricados pela STD modelo STD-7100 em operação normal. Foram definidas duas fases de migração. A primeira fase requer a instalação de um equipamento concentrador e requer um investimento mínimo em hardware. A segunda fase permitirá a conversão individual de equipamentos não inteligentes e inteligentes para o novo padrão através de um equipamento denominado Unidade Conversora. O objetivo deste projeto é ter em cada subestação no Nível de Estação (Station Level), uma ou mais estações de trabalho (computadores) com base de dados e ferramentas de configuração e manutenção que atendam ao padrão IEC Isto permitirá aos engenheiros, técnicos e operadores da concessionária trabalhar com um sistema uniforme e padronizado em termos de operação, configuração e manutenção. PALAVRAS CHAVE IEC61850, Migração, Automação, Subestações, Conversão (*) Endereço: SIBS Quadra 02, Conjunto A, Lotes 4/6, Núcleo Bandeirante, Brasília DF, CEP E mail: praxedes@std.com.br

2 1. Introdução A STD é uma empresa que desenvolve e fabrica equipamentos de supervisão, controle e automação para o setor elétrico há 24 anos com sede em Brasília DF. A Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista - CTEEP é cliente da STD desde 2003, quando adquiriu inicialmente sessenta e quatro Unidades Terminais Remotas modelo STD-7100 para as subestações até 138kV. Posteriormente foram adquiridas através do Projeto SINOCON mais trinta e seis UTR s do mesmo modelo para as instalações de até 440kV da rede básica. Estas instalações possuem relés de proteção, multimedidores digitais e outros IED s que possuem diversos protocolos de comunicação conectados por canal serial assíncrono ou canal TCP/IP em rede ethernet à UTR STD A UTR opera, desta forma, também como Unidade Concentradora de Subestação, concentrando em uma única base de dados as informações dela própria e de todos os IED s. A promessa de um sistema de automação de subestações com propriedades uniformes gera uma grande motivação para os usuários. Estes desejam logo começar a trabalhar no novo padrão, mas a substituição ou atualização dos equipamentos é feita de forma gradual levando, normalmente, décadas para ser completada. Por essa razão, a solução da STD proporciona inicialmente um ambiente onde a Linguagem de Configuração de Subestação (SCL) pode ser usada em conjunto com os softwares SCADA já no padrão IEC para as estações de monitoração e manutenção locais e remotas. 2. Considerações Gerais A migração destas instalações já existentes para atendimento ao novo padrão IEC61850 implica não somente em uma mudança de protocolo de comunicação, mas também praticamente de toda a arquitetura de conexão dos equipamentos, dos procedimentos de gerenciamento de configuração e dos parâmetros operacionais. Foram definidas duas etapas para esta adequação ou migração. 2.1 Primeira fase de migração A primeira fase de migração requer um pequeno investimento em hardware e permite a familiarização dos técnicos e engenheiros da empresa com o novo padrão. Na primeira fase, um equipamento denominado Concentrador deverá fazer a intermediação completa entre o ambiente IEC e o ambiente existente nas instalações. Entenda-se o ambiente IEC como os dispositivos do nível de estação (station level devices), ou seja, o computador com a base de dados, a interface com o operador (IHM) e interfaces para comunicação remota. As interfaces para comunicação remota são também disponibilizadas pelo concentrador através dos canais para centro de operação com os protocolos padrão da área elétrica. O investimento mínimo em hardware nesta fase inclui a instalação do Concentrador. Este equipamento possui uma Unidade de Processamento similar a da UTR e canais de comunicação seriais assíncronos que sejam necessários para os IED s e a aquisição dos computadores e softwares referentes aos equipamentos do nível de estação. 2.2 Segunda fase de migração Na segunda fase de migração, a STD disponibilizará um equipamento denominado Unidade Conversora (UC), a qual permitirá a qualquer dispositivo entrar em rede já no contexto da norma IEC Estes

3 dispositivos incluem dispositivos inteligentes e não inteligentes, já que a UC é uma pequena UTR com capacidade de aquisição e controle de pontos digitais e analógicos. A aquisição analógica inclui também a amostragem em tempo real (Sample Values). Neste ponto, a rede da subestação deverá ser montada para receber equipamentos novos já no padrão IEC que irão conviver com os equipamentos convertidos através das UC s, criando um ambiente onde todos os dispositivos físicos (IED s) possam trocar informações entre si. O investimento mínimo nesta fase inclui a montagem da rede ethernet na subestação e a aquisição das Unidades Conversoras. Os equipamentos do nível de estação já deverão estar instalados a partir da implantação da primeira fase de migração. 2.3 Requisitos gerais para a migração O Concentrador e a Unidade Conversora deverão possuir os seguintes recursos: Mecanismos de implementação dos dispositivos lógicos e nós lógicos referentes aos equipamentos conectados. Através dos dispositivos lógicos e dos nós lógicos são criados os modelos de informação dos equipamentos da subestação; Interpretação e geração dos arquivos de configuração no padrão SCL (Substation Configuration Language). Auto-descrição (self-description): as informações de configuração são padronizadas e acessíveis via comunicação no padrão IEC A SCL é baseada na Extensive Mark-up Language (XML). A XML é uma linguagem de alto nível que pode ser usada para construir arquivos de texto que descrevem dados estruturados específicos para as aplicações. Esta linguagem é composta por arquivos de dados que podem ser gerados e lidos diretamente pelo usuário. A linguagem XML é independente do hardware, do software e da aplicação. O Concentrador e Unidade Conversora deverão efetuar a conversão dos parâmetros definidos na Linguagem de Configuração de Subestação (SCL) para cada um dos dispositivos conectados. Portanto, a base de dados deverá conter informações de parametrização e configuração de todos os IED s conectados que não atendem à norma IEC 61850; Serviços de comunicação através da Interface de serviço de comunicação abstrata (abstract communication service interface ACSI). A ACSI é uma interface virtual que proporciona métodos de modelagem de informação abstratos para dispositivos lógicos (logical devices), nós lógicos (logical nodes), dados, atributos dos dados, e serviços de comunicação. Exemplos de serviços de comunicação são: conexão, acesso variável, transferência de dados não solicitados, controle de dispositivos e transferência de arquivos; Serviços de comunicação de alta velocidade e alta prioridade para envio/recebimento de eventos. Quando ocorre qualquer mudança de estado em um ponto de indicação digital configurado para gerar este tipo de evento, é gerada uma mensagem específica (GOOSE - generic object oriented substation event ou evento de subestação orientado a objeto genérico). Esta mensagem contém um objeto binário, sendo de alta velocidade não orientada à conexão. A mensagem é enviada do servidor (UTR ou UC) para um conjunto selecionado de clientes. A mensagem do tipo GOOSE é de alta prioridade e utiliza um mecanismo chamado priority tagging para separar o tráfego das mensagens que tem prioridade de recebimento (mensagens de atuação de proteção). Existe também um mecanismo de re-envio da mensagem após intervalos de 2, 4, ms para aumentar a probabilidade de recebimento; Serviços de comunicação de alta velocidade e alta prioridade para envio/recebimento de estado de dispositivos (GSSE - generic substation state event ou evento de estado de subestação genérico). Esta mensagem é similar ao GOOSE, porém contém apenas informações de estado de pontos duplos de equipamentos tais como disjuntores e chaves seccionadoras (estados: aberto, fechado, transição e inválido);

4 Serviço de Registro (Logging): é o registro de dados ordenados cronologicamente. Estes registros de dados normalmente são uma seqüência de eventos de alteração de estado de pontos de indicação digital (SOE) com as etiquetas de tempo e as anotações referentes à identificação do ponto e informações adicionais; Serviço de Relatório (Reporting): é um conjunto de dados compilados para transmissão para um cliente. A transmissão pode ser feita em intervalos regulares, em intervalos especificados ou pode ser enviada sob demanda. Um relatório também pode ser gerado como resultado da ocorrência de um ou mais eventos que podem ser pré-definidos pelo cliente. Serviços de comunicação para o envio/recebimento de dados brutos de amostras de TC s e TP s. Este serviço somente estará disponível na Unidade Conversora na segunda fase de migração. As mensagens do tipo Sample Values do tipo dado bruto (raw data) transportam as amostras de aquisição direta dos sinais de corrente e tensão dos TC s e TP s. Estas mensagens são enviadas das Unidades Conversoras de Aquisição pela rede ethernet para uma Unidade Conversora de Monitoração que deverá fazer o processamento das amostras (merging). Este processamento permite obter as grandezas elétricas (tensão, corrente, potência, freqüência, energia, fator de potência) e informações de qualidade de energia. As amostras também podem ser armazenadas em arquivos; Serviços de Manutenção Local e Manutenção Remota. Caso exista conexão de rede do centro de manutenção com a subestação também deverão estar disponíveis os serviços de manutenção remota do sistema através de uma Estação de Manutenção Remota para monitoração e manutenção (TMI); Serviços de Comunicação com IED s de diversos fabricantes em diversos protocolos e diversos meios físicos de comunicação. Um dispositivo Eletrônico Inteligente (Intelligent Electronic Device IED) é qualquer dispositivo que possui um ou mais processadores com capacidade de receber ou enviar dados e controle de/para um equipamento externo. Um IED pode ter um ou mais nós lógicos implementados dentro do seu contexto e das suas interfaces. Os protocolos mais utilizados pelos IED s são DNP3.0, MODBUS, IEC e IEC Os meios físicos são interfaces RS232, RS485, fibra ótica e par trançado 10/100BaseT; Interface com os dispositivos da subestação através da leitura do estado de contatos, acionamento de contatos, leitura de sinais analógicos e envio de sinais analógicos de controle. 3. Primeira Fase de Migração - Concentrador O Concentrador deverá virtualizar (virtualize) todos os IED s da subestação dentro do contexto da norma IEC Este procedimento não é somente uma conversão de protocolos, mais uma modelagem dos dispositivos. Esta modelagem inclui, além das operações de supervisão e controle, também as operações de parametrização e configuração. Desta forma, o concentrador inicialmente deverá intermediar toda a troca de informações das Funções do Nível de Estação Relacionadas ao Nível do Processo com as Funções do Nível de Estação Relacionadas ao Nível da Interface. O software do concentrador deverá modelar todos os dispositivos da subestação em dispositivos lógicos e nós lógicos e prover os serviços de comunicação. O concentrador também atua como gateway operando no nível de estação, viabilizando a comunicação com os centros de operação existentes utilizando os protocolos padrão da área elétrica IEC , IEC , DNP3.0 em interface serial assíncrona e DNP3.0 em TCP/IP rede.

5 3.1 Configuração O concentrador deverá efetuar a conversão dos parâmetros definidos na Linguagem de Configuração de Subestação (SCL) para cada um dos IED s conectados. Portanto, a base de dados da CPU mestre deverá conter informações de parametrização e configuração de todos os IED s conectados que não atendem à norma IEC Esta primeira fase permite ao pessoal da manutenção começar a trabalhar e se familiarizar com Linguagem de Configuração de Subestação (SCL). Esta primeira fase de implantação também permite a instalação de IHM s locais com softwares SCADA e estações de trabalho já no padrão IEC É importante observar que a possibilidade de configuração e parametrização dos IED s dependerá da disponibilidade da documentação das mensagens usadas para este propósito pelos fabricantes. A primeira fase de implantação do IEC requer um contato permanente e bastante próximo do pessoal da STD com o pessoal de proteção da concessionária. Isto deverá ser feito para que o software e a configuração do concentrador possa incorporar os requisitos de parametrização e configuração dos relés de proteção digitais, e também para que o pessoal de proteção possa se familiarizar e utilizar efetivamente a Linguagem de Configuração de Subestação (SCL) na configuração e parametrização dos relés digitais. 3.2 Mensagens GOOSE e GSSE no Concentrador No caso do Concentrador, as mensagens do tipo GOOSE e GSSE geradas são enviadas somente para os equipamentos do nível de estação. 3.3 Interfaces e Tipos de Mensagens do Concentrador Número IF1 IF3 IF5 IF6 IF7 IF10 Tabela 1 - Interfaces Utilizadas no Concentrador Descrição Troca de dados de proteção entre o nível de bay e o nível de estação Troca de dados dentro do nível de bay (interno) Troca de dados de controle entre o nível de processo e o nível de bay (interno) Troca de dados de controle entre o nível de bay e o nível de estação Troca de dados entre o nível de subestação e uma estação de trabalho de engenharia remota Troca de dados de controle entre os dispositivos da subestação e um centro de controle remoto. O Concentrador pode efetuar a tarefa de gateway, disponibilizando canais de comunicação para o mundo exterior

6 Tabela 2 - Tipos de Mensagens Utilizadas no Concentrador Tipo Nome Exemplos 1ª Mensagens rápidas - trip Trips 1b Mensagens rápidas outras Comandos e mensagens simples 2 Mensagens de média velocidade Medidas 3 Mensagens de baixa velocidade Parâmetros 5 Funções de transferência de arquivos Grandes arquivos 6b 7 Mensagens de Sincronização de Tempo b Mensagens de comando com controle de acesso Sincronização de tempo: barramento do processo Comandos provenientes da IHM Figura 1 Modelo de Entrada/Saída para o Concentrador 4. Segunda Fase de Migração Unidade Conversora Nesta fase, o sistema deverá ser descentralizado, ou seja, deverá ser criada uma rede ethernet na subestação para receber a conexão de todos os dispositivos. Para isto deverão ser instalados switches e conversores de fibra ótica onde estes equipamentos não existam ou onde a capacidade de conexões não seja suficiente. A utilização de cabo UTP ou fibra ótica deverá ser feita de acordo com as condições do local. Os novos equipamentos que atendem ao padrão IEC deverão ser conectados diretamente à rede e os equipamentos que não atendem ao padrão deverão receber Unidades Conversoras (UC s). Deverá ser instalada uma Unidade Conversora (UC) para cada IED que não atenda ao padrão IEC e para cada dispositivo não inteligente para permitir a direta conexão à rede da subestação. A Unidade Conversora poderá operar no nível de processo e no nível de bay. Deverá ser feito um planejamento de instalação gradual das Unidades Conversoras.

7 4.1 A Unidade Conversora no Nível de Processo A Unidade Conversora atuando no nível de processo deverá efetuar a modelagem de dois tipos de dispositivos: dispositivos não inteligentes e IED s que não atendam ao padrão IEC Os dispositivos do nível do processo (process level devices) são tipicamente módulos de aquisição e controle remotos, sensores inteligentes, atuadores inteligentes, etc. Os dispositivos não inteligentes normalmente são os seguintes: disjuntores, chaves seccionadoras, relés de proteção eletromecânicos ou eletrônicos, relés de proteção digitais que não possuem interface de comunicação, transformadores de corrente (TC s), transformadores de potencial (TP s). A UC deverá fazer a interface com estes dispositivos através de entradas digitais, saídas digitais, entradas analógicas e saídas analógicas Os dispositivos inteligentes ou IED s que não atendem ao padrão IEC normalmente são relés de proteção digitais, multimedidores digitais, UTR s e UAC s que utilizam os protocolos DNP3.0, MODBUS, IEC , IEC , IEC ou qualquer protocolo proprietário em interface serial assíncrona ou em TCP/IP. As informações de alta velocidade e alta prioridade tais como a atuação de contato de trip de relés digitais podem ser obtidas por leitura de contatos de saída destes equipamentos. 4.2 A Unidade Conversora no Nível de Bay A UC operando no nível de Bay deve se comportar como uma unidade de monitoração e controle, a qual pode executar programas de automatismo local e funções de intertravamento. A UC no nível de Bay deve ter uma base de dados com todas as informações dos dispositivos do Bay. 4.3 Mensagens GOOSE e GSSE na Unidade Conversora No caso da Unidade Conversora, as mensagens do tipo GOOSE ou GSSE podem ser enviadas ou recebidas de qualquer outro dispositivo da rede. A UC deverá gerar mensagens GOOSE se estiver conectada a um relé de proteção e receber as mensagens caso esteja conectada a dispositivos de chaveamento sob carga (disjuntores). A UC deverá gerar mensagens GSSE caso esteja conectada a dispositivos de chaveamento (disjuntores e chaves seccionadoras). 4.4 Características Técnicas da Unidade Conversora Requisitos de Hardware: Interface Ethernet 10/100BaseT ou 10/100BaseFx, processador de 32 bits, capacidade de memória compatível, módulo de aquisição direta de TC e TP, entradas digitais, entradas analógicas, saídas digitais, saídas analógicas, canais de comunicação seriais assíncronos nos padrões elétricos RS232 e RS485 e também em fibra ótica. O hardware da UC deverá ser de alta confiabilidade para operação em subestações atendendo aos requisitos recomendados pelo IEC60870 de compatibilidade eletromagnética, alimentação, condições climáticas, choque e vibração. A instalação poderá ser feita em cubículos e caixas externas. Requisitos de performance: alta velocidade de processamento, alta confiabilidade. Envio e Recebimento de mensagens de alta velocidade. Geração de mensagens do tipo Sample Values a partir de TC s e TP s em tempo real. Função de merging, combinando mensagens de SV s de TC s e TP s para cálculo das medidas elétricas. Deverão existir diversas versões da UC para cada aplicação. Uma UC poderá converter somente um dispositivo ou um conjunto de dispositivos ou todos os dispositivos de um bay. Como exemplo pode-se citar a conversão de somente um TP ou um TC, ou um conjunto de três TP s ou um conjunto de três TC s, ou um disjuntor, ou um disjuntor e a proteção associada.

8 4.5 O Concentrador na segunda fase de migração O Concentrador deverá entrar no contexto da segunda fase de migração com as seguintes atribuições: Servir como gateway para o mundo exterior, possibilitando a comunicação com os centros de controle utilizando os protocolos padrão da área elétrica; Servir como uma Unidade Conversora de Bay de alta capacidade. 4.6 Interfaces e Tipos de Mensagens da Unidade Conversora Número IF1 IF3 IF4 IF5 IF6 IF7 IF8 IF9 Tabela 3 - Interfaces Utilizadas na Unidade Conversora Descrição Troca de dados de proteção entre o nível de bay e o nível de estação Troca de dados dentro do nível de bay Troca de dados instantâneos entre os TC s e TP s e o nível de bay (principalmente amostras) Troca de dados de controle entre o nível de processo e o nível de bay Troca de dados de controle entre o nível de bay e o nível de estação Troca de dados entre o nível de subestação e uma estação de trabalho de engenharia remota Troca de dados direta entre bays especialmente para funções rápidas como intertravamento Troca de dados dentro do nível de estação Tabela 4 - Tipos de Mensagens Utilizadas na Unidade Conversora Tipo Nome Exemplos 1ª Mensagens rápidas - trip Trips 1b Mensagens rápidas outras Comandos e mensagens simples 2 Mensagens de média velocidade Medidas 3 Mensagens de baixa velocidade Parâmetros 4 Mensagens de dados brutos Dados de saída de transdutores e transformadores 5 Funções de transferência de arquivos Grandes arquivos 6b 7 Mensagens de Sincronização de Tempo b Mensagens de comando com controle de acesso Sincronização de tempo: barramento do processo Comandos provenientes da IHM

9 Figura 2 Modelo de Entrada/Saída para a Unidade Conversora 5. Conclusão Espera-se com este trabalho proporcionar recursos para que os técnicos e engenheiros das concessionárias possam ambientar-se ao novo padrão IEC61850 de uma maneira gradual e segura.

10 6. BIBLIOGRAFIA [1] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 1: Introduction and overview; Technical Report; IEC TR [2] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 2: Basic communication structure for substation and feeder equipment Glossary; IEC TS [3] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 3: Basic communication structure for substation and feeder equipment General requirements; IEC [4] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 4: Basic communication structure for substation and feeder equipment System and project management; IEC [5] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 5: Basic communication structure for substation and feeder equipment Communication requirements for function and device models; IEC [6] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 6: Basic communication structure for substation and feeder equipment Configuration description language for communication in electrical substations related to IED s; IEC [7] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 7-1: Basic communication structure for substation and feeder equipment Principles and models; IEC [8] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment Abstract communication service interface ACSI; IEC [9] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 7-3: Basic communication structure for substation and feeder equipment Common data classes; IEC [10] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 7-4: Basic communication structure for substation and feeder equipment Compatible logical node classes and data classes; IEC [11] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 8-1: Basic communication structure for substation and feeder equipment Specific Communication Service Mapping to MMS (ISO and ISO ) and to ISO/IEC ; IEC [12] IEC International Eletrotechnical Commission. Communication networks and systems in substations Part 9-1: Basic communication structure for substation and feeder equipment Specific Communication Service Mapping (SCSM) Sampled values over ISO/IEC ; IEC [13] Carlos V. Cardoso, Luiz Carlos Magrini, Daniel Augusto Martins, José A. Jardini. Experiência na aplicação do IEC na especificação de um bay de linha. SIMPASE 2005.

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