Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014 NA IEC 61850

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1 PROJETO DE REDES DE COMUNICAÇÃO REDUNDANTES APLICADAS EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO BASEADOS NA IEC MARCELO L. P. ARAÚJO, CLEVER S. P. FILHO LRC - Lightning Research Center, Universidade Federal de Minas Gerais Av. Antônio Carlos, 6627, Belo Horizonte, Minas Gerais s: mlpa@ufmg.br, clever@ufmg.br Abstract - With the use of Automation Systems for Substations based on the requirements of IEC is of critical importance that the protection and control engineer has knowledge of the specifications, features, topologies and available resources in communication networks, an important point to highlight is the application of redundancy. The main objective of this paper is to demonstrate the importance and present the concepts and major existing types of redundancy indicating their characteristics and differences to guide the professionals of the area in the definition of the best technical solution for each design. This paper is structured into four main sections, section 2 presents the automation systems model proposed by the standard. The main concepts and application possibilities of redundancy in the networks physical and data link layers in SAS are presented in section 3. The fourth section presents a methodology to analyze the reliability of communication networks including results for some network topologies. The conclusions of the work are demonstrated in Section 5. Keywords - IEC 61850, Substation Automation Systems, Network Communication, Redundancy, Reliability. Resumo - Com o uso de Sistemas de Automação para Subestações baseados nos requisitos da norma IEC é de fundamental importância que o engenheiro de proteção e controle tenha conhecimento das especificações, características, topologias e recursos disponíveis nas redes de comunicação, destaca-se entre estes pontos a aplicação de redundância. Este trabalho tem como objetivo demonstrar a importância e apresentar os principais conceitos e possibilidades de redundância existentes no mercado, indicando suas características e diferenças de forma a orientar os profissionais da área na definição da melhor solução técnica para cada projeto. O trabalho é estruturado em quatro seções principais, a seção 2 apresenta o modelo do sistema de automação proposto pela IEC Os principais conceitos e possibilidades de aplicação de redundância nas camadas física e de enlace das redes dos Sistemas de Automação são apresentados na seção 3. A quarta seção apresenta uma metodologia para análise da confiabilidade das redes de comunicação incluindo resultados para algumas topologias de rede. As conclusões do trabalho são demonstradas na seção 5. Palavras-chave - IEC 61850, Sistemas de Automação de Subestação, Redes de Comunicação, Redundância, Confiabilidade. 1 Introdução A automação de uma subestação elétrica pode ser entendida como a monitoração e controle das grandezas elétricas envolvidas no processo de transmissão e distribuição de energia, tais como: tensões, correntes, potências ativas, reativas e posições aberta/fechada de seccionadoras e disjuntores. Um SAS (Sistema de Automação de Subestações) é composto por diversos equipamentos sendo os principais: relés de proteção, unidades de aquisição e controle, medidores multifunção, sistema de aquisição de dados e sistema de supervisão. Atualmente, grande parte destes dispositivos utilizam redes de comunicação para troca de informações, com isto, componentes que não faziam parte do SAS como switches, roteadores e gateways foram incorporados ao sistema. Para desenvolver um projeto adequado é preciso entender as topologias das redes de comunicação e os recursos disponíveis, garantindo o desempenho necessário principalmente com relação à velocidade e confiabilidade. A criação da norma IEC é um marco no desenvolvimento dos SAS e visa padronizar a comunicação entre sistemas e dispositivos em subestações elétricas, seu principal objetivo é garantir a interoperabilidade entre IEDs (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes) de diferentes fabricantes. Entretanto, a norma não é simplesmente um protocolo novo, ela especifica o IED, os serviços disponíveis, a topologia de rede, como as informações devem ser armazenadas e disponibilizadas, além de definir vários aspectos como velocidade e funcionalidades. Os sistemas desenvolvidos conforme a norma permitem a aplicação de funções de proteção e intertravamentos no SAS impactando diretamente na confiabilidade do SEP (Sistema Elétrico de Potência). Apesar da norma já está sendo aplicada em diversos projetos, percebe-se que ainda existe falta de conhecimento por grande parte dos profissionais da área dos seus requisitos. Um ponto importante a ser destacado é que a norma está na fronteira das áreas de engenharia elétrica e de automação, dificultando a existência de profissionais com conhecimentos específicos em ambas às especialidades. Pode-se afirmar que o maior impacto da IEC no cotidiano dos engenheiros é o uso de redes de comunicação, pois, não é comum que os engenheiros de proteção tenham o conhecimento e a experiência necessária sobre seu funcionamento. Considerando que a base de um SAS em conformidade com a IEC são estas redes, o objetivo deste trabalho é apresentar de forma geral os conceitos necessários para o desenvolvimento do projeto de redes redundantes. 2438

2 2 Sistemas de automação baseados na norma IEC Inicialmente, é preciso conhecer o modelo de SAS proposto pela IEC que recomenda estruturar o sistema em três diferentes níveis hierárquicos: processo, bay e estação conforme apresentado na Fig. 1 (Guerrero, 2011). Para permitir a integração entre os dispositivos nas redes de comunicação a ISO (International Organization for Standardization) desenvolveu um modelo de referência chamado OSI (Open Systems Interconnection) para que os fabricantes criassem protocolos baseados neste modelo. Atualmente existem diversos protocolos utilizados em um SAS, desde os antigos padrões seriais até os mais modernos baseados no modelo Ethernet TCP/IP. A Fig. 2 (Pozzuoli, 2003) ilustra alguns destes protocolos assim como sua relação com o modelo OSI. Figura 2. Protocolos de rede Figura 1. Estruturação SAS conforme IEC Nota-se que o modelo definido pela IEC é baseado em redes de comunicação possuindo dois barramentos para interligação de seus níveis chamados barramento de processo e estação. O barramento de estação tem como principais funcionalidades interligar os dispositivos de supervisão (Interface Homem Máquina) permitindo a operação, monitoramento e processamento de alarmes. Além disto, proporciona a interligação com o centro de controle remoto e acesso da equipe de engenharia aos IEDs. O barramento de processo tem como principal função fazer a interligação dos IEDs tornando possível a transmissão de informações de proteção e controle. São ligados também neste barramento controladores providos de entradas e saídas, permitindo o monitoramento e comando de disjuntores e chaves seccionadoras. Os valores amostrados (SV) de medições de TCs (Transformadores de Corrente) e TPs (Transformadores de Potencial) também trafegam neste barramento. 3 Redes de Comunicação O projeto de uma rede deve atender alguns requisitos onde se destacam (Tan e Luan, 2011): Confiabilidade. Exigência de largura de banda. Latência. Redundância. Capacidade de expansão. Mantenabilidade. Em redes de comunicação aplicadas a um SAS a transmissão dos dados de proteção é crítica necessitando atenção especial ao seu projeto, a seção 3.1 descreve os requisitos da norma com ênfase aos tempos máximos para cada tipo de mensagem. A topologia projetada deve garantir que os dados de proteção sejam transmitidos com segurança e nos tempos definidos pela norma em qualquer circunstância. De forma a atender estes requisitos as redes de comunicação devem possuir esquemas de redundância. As camadas física (1), enlace (2) e de rede (3) são os principais focos de redundância (Midence e Iadonisi, 2009). Analisando o modelo OSI verifica-se que quanto mais baixa a camada maior o impacto de uma falha. Por exemplo, a perda de um cabo em um switch pode impactar em todo o processo de comunicação dependendo da importância deste dispositivo. Serão estudadas nas próximas seções as possibilidades de redundância nas camadas física e de enlace que representam 60% das falhas em uma rede, sendo 35% na camada física e 25% na de enlace (Iadonisi, 2010). 3.1 Requisitos de comunicação IEC A IEC define 07 tipos de mensagens em função da prioridade dos dados, aquelas de maior importância como comandos de abertura e trips têm maior banda disponível para trafegar na rede. Outros tipos como transferências de arquivos são transmitidas com velocidades menores. As principais mensagens definidas pela norma são: GOOSE: utilizadas para transmissão de informação de alta prioridade como comandos de trip ou bloqueio. 2439

3 MMS: mensagens do tipo cliente servidor para dados de supervisão sem requisitos críticos de tempo. Valores Amostrados (SV): têm como função transmitir os dados de medição de corrente e tensão dos TCs e TPs. Verifica-se no mapeamento das mensagens na pilha de protocolos indicado na Fig. 3 que as mensagens do tipo SV e GOOSE são interligadas diretamente na camada de enlace para atender os requisitos de tempos de transmissão (Carvalho, 2011). Redundância de cabos utilizando rotas distintas evitando a perda de comunicação no rompimento de algum cabo. Hardware redundante contendo portas múltiplas permitindo conexão confiável em caso de falha em uma das portas. A seguir serão apresentadas as principais topologias de redes utilizadas em um SAS para os barramentos de comunicação. A identificação da simbologia de cada componente deve ser consultada na seção Barramento de Estação Topologia em Anel Esta topologia é a mais utilizada e provê redundância através de um caminho de comunicação alternativo e do uso do protocolo de redundância Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) ou Seamless Ring (HSR) (Tan e Luan, 2011). Estes protocolos serão estudados nas próximas seções. O anel é feito através da interligação de diversos switches onde estão conectados os dispositivos formando um caminho principal e um alternativo conforme apresentado na Fig. 4. Figura 3. Mapeamento de Mensagens IEC A Tabela 1 (Antonova, Frisk e Tournier, 2011) descreve os requisitos recomendados para cada uma das aplicações. Aplicação MMS- Cliente/Servidor Tabela 1. Requisitos de tempo. Tempo máximo de entrega (ms) Tempo máximo de recuperação (ms) GOOSE - Controle 12 a a 50 GOOSE - Proteção 8 4 Valores amostrados 2 0 Diversos recursos disponíveis nas redes de comunicação Ethernet devem ser utilizados para garantir o desempenho em tempo real. Os principais recursos utilizados são o QoS (Quality of Service) e as VLANs (Virtual Local Area Network). Estes recursos são normatizados por padrões publicados pelo IEEE. (Carvalho, 2011) 3.2 Redundância na camada física A redundância na camada física abrange tanto as conexões de redes quanto os dispositivos. São considerados dois cenários (Midence e Iadonisi, 2009): Figura 4. Rede em Anel Em operação normal, o caminho alternativo fica bloqueado para evitar a circulação (loop) das mensagens transmitidas. Quando ocorre uma falha, os caminhos lógicos da rede são reconfigurados usando os protocolos de redundância. Este tipo de topologia suporta uma falha simples, entretanto a inclusão ou remoção de qualquer switch requer a quebra do anel levando a baixa capacidade de expansão e dificuldade na manutenção Topologia em Estrela Este tipo de topologia utiliza um switch central para interligação dos demais switches da rede onde são conectados os dispositivos de comunicação e estações. As vantagens das redes em estrela são a baixa latência e facilidade de manutenção e expansão (Tan e Luan, 2011). Como desvantagem uma falha no switch central resulta na perda de comunicação de todo o sistema. A Fig. 5 ilustra esta topologia. 2440

4 Figura 5. Rede em Estrela Topologia Estrela-Anel Hibrida A utilização de um switch central adicional e a interligação redundante com os demais aumenta a confiabilidade da configuração estrela. Interligando os switches centrais são formados múltiplos anéis e a rede passa a ter uma configuração estrela-anel hibrida conforme apresentado na Fig. 6 (Tan e Luan, 2011). Esta topologia herda a facilidade de expansão e manutenção das redes estrelas e a capacidade de reconfiguração da topologia anel. A complexidade da rede pode levar a altos tempos de convergência se a configuração dos dispositivos não for adequada. Esta topologia também é conhecida como Mesh. Figura 6. Rede Estrela-Anel Hibrida Barramento de Processo Ponto a ponto Nesta topologia os dados são transmitidos em um meio de alta velocidade de maneira determinística, a falta de congestionamento deve resultar em largura de banda suficiente para aplicação. Esta configuração é utilizada normalmente para interligar dispositivos de um mesmo bay, como por exemplo, uma merging unit a um IED. Mesmo com um único dispositivo disponível para envio os dados SV utilizam transmissão multicast. Figura 7. Rede Ponto a Ponto Topologia em Estrela Pode ser implementada na configuração simples ou dupla. A estrela simples é formada de maneira similar ao exposto no item , sendo os IEDs e demais dispositivos interligados através de um switch central. A estrela dupla é utilizada para sistemas onde os dispositivos de controle e proteção são redundantes em um mesmo bay. Os dados SV podem ser enviados através dos switches ao barramento de estação atingindo assim qualquer IED da subestação. Como resultado é possível ocorrer uma inundação de dados ou a necessidade de configurações complexas nos switches (Tan e Luan, 2011). Uma variação da rede de estrela dupla ocorre quando são utilizados dispositivos simples de proteção e controle com portas de comunicação redundantes. A Fig. 8 ilustra este tipo de topologia. Figura 8. Rede em Estrela (Linha tracejada: estrela dupla) Topologia em Anel Assim como as redes em estrela pode ter configuração simples ou dupla. O anel simples necessita que cada IED possua um mini-switch incorporado com protocolo de redundância RSTP ou HSR. Podem existir duas situações neste tipo de topologia, uma apenas com os dispositivos e outra com um switch gerenciável (Tan, 2011). Na configuração sem switches, quando utilizado o protocolo RSTP mensagens com dados SV ou GOOSE podem ser perdidas ou a velocidade de transmissão comprometida quando ocorre uma falha e a rede é reconfigurada, neste caso é recomendado o uso de dois anéis para obter maior confiabilidade. Este fato não ocorre com a utilização do protocolo HSR. Na configuração com switch gerenciável as mensagens SV e GOOSE podem ser transmitidas com confiabilidade utilizando-se redes configuradas corretamente. VLAN ou filtragem multicast devem ser aplicadas para restringir que as mensagens SV sejam transmitidas somente aos destinatários desejados. No anel duplo são utilizados dois anéis independentes com dispositivos e IEDs redundantes ou que possuam duas portas de comunicação. Assim como no anel simples podem ser utilizadas configurações com ou sem switches apresentando as mesmas considerações citadas anteriormente. A Fig. 9a representa uma rede em anel duplo sem switch e a Fig. 9b uma rede em anel simples com switch. (a) 2441

5 (b) Figura 9. Rede em Anel 3.3 Redundância na camada de enlace A redundância deve abranger não só os dispositivos de proteção, mas também os sistemas de comunicação dentro da subestação. Para alcançar uma alta confiabilidade e disponibilidade precisa-se evitar qualquer interrupção na transmissão de dados quando ocorre uma falha em qualquer componente da rede (Antonova, Frisk e Tournier, 2009). A aplicação de protocolos redundantes do tipo Layer 2 na camada de enlace pode proporcionar duas melhorias: identificar todas as possíveis rotas entre os dispositivos e colocar as rotas alternativas em standby (bloqueadas) evitando loops, ou seja, a circulação de dados duplicados na rede. Os principais protocolos suportados pelo padrão Ethernet TCP/IP são a- presentados a seguir (Antonova, Frisk e Tournier, 2009) Spanning Tree (STP) O STP permite redundância de roteamento e não apenas de encaminhamento sendo necessário ao seu funcionamento que a rede possua diversas rotas em qualquer topologia. Para que opere corretamente a- penas um caminho deve ficar ativo, sendo assim o protocolo STP configura algumas das rotas para stand-by evitando a circulação de dados. Se um segmento da rede se torna inacessível o STP reconfigura as rotas para que todos os dispositivos possam trocar dados novamente. Existem diversas versões deste protocolo onde se destacam: STP: É a primeira e mais lenta versão, possui um tempo de recuperação em torno de 30s e não é aceitável em aplicações industriais. É padronizado pela IEEE 802.1D. MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol): Permite múltiplas instâncias de STP através de VLANs. Isso significa que uma única rede física pode ser multiplicada através do agrupamento de redes virtuais cada uma com sua instância de STP. Foi padronizado pela IEEE 802.1s. RSTP: É uma evolução do STP com a alteração de alguns parâmetros. Possui tempos de recuperação de 250 ms até 12 s dependendo da configuração. Ainda é lento para algumas aplicações industriais. Existem alguns protocolos proprietários que utilizam o RSTP e são otimizados, mas por serem proprietários não são definidos como STP padrão. Na operação do RSTP padrão existe uma troca de mensagens chamadas de BPDUs (Bridge Protocol Data Units) entre os dispositivos. Através destas mensagens é definido um switch central ("Root" switch). As rotas que não são utilizadas para interliga-lo são colocadas em stand-by. As mensagens BPDUs possuem informações como: endereço MAC, prioridade e custo do enlace. O STP utiliza estas mensagens para definir o switch central, as rotas mais curtas e para selecionar qual porta de cada switch ficará ativa bloqueando as demais. As mensagens BPDUs são transmitidas periodicamente e utilizadas para detectar quando uma rota está inativa. A Fig. 10 ilustra a configuração de uma rede RSTP diferenciando as rotas ativas (linhas continuas) e as bloqueadas (linhas tracejadas). Figura 10. Rede configurada em RSTP Protocolos baseados na norma IEC A IEC define um conjunto de protocolos baseados em Ethernet de alta disponibilidade para garantir a entrega das mensagens mesmo na falha de um dispositivo da infraestrutura. A seguir são apresentados alguns destes protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) Este protocolo implementa a redundância no nível do dispositivo através da utilização de nós duplos operando de acordo com as regras do PRP. O nó duplo é interligado a duas redes paralelas de topologias idênticas. O nó de origem envia o quadro nas duas redes, o destinatário recebe o primeiro quadro e descarta a cópia. As duas redes não são interligadas e uma falha em uma não interfere na outra. A topologia de rede utilizada neste protocolo é similar a da Fig. 8 considerando as interligações das linhas continuas e tracejadas. Um nó PRP tem duas interfaces Ethernet com o mesmo endereço MAC e IP. O protocolo PRP é uma redundância Layer 2, o que significa que suporta integralmente mensagens GOOSE e tráfego de mensagem SV (Carvalho, 2011) High-availability Seamless Redundancy (HSR) Assim como no protocolo PRP cada dispositivo possui duas portas de comunicação interligadas em meios full-duplex na topologia anel. Um nó de origem envia simultaneamente o mesmo quadro nos dois sentidos do anel, o destinatário aceita o primeiro pacote recebido e descarta o segundo. Este protocolo é 2442

6 aplicável a redes com topologias similares as apresentadas na Fig. 9 o que permite uma redução significativa em hardware e custo desde que não sejam utilizados switches externos, entretanto todos os nós do anel devem possuir mini-switches incorporados (Carvalho, 2011) Análise dos protocolos A IEC descreve diversos outros protocolos que não serão detalhados neste trabalho, pois os mais utilizados são o PRP e o HSR uma vez que não possuem tempo de recuperação. O principio de funcionamento destes é similar sendo a maior diferença a topologia da rede aplicável a cada um. As soluções que utilizam PRP são recomendadas para sistemas críticos já que utiliza a filosofia de redundância paralela e duplicação de dispositivos, porém o custo de implantação é elevado. Os sistemas baseados em HSR possuem menor custo e são preferidos pelos fabricantes de IEDs por não depender de switches externos simplificando a topologia. Como desvantagem pode apresentar problemas quando for necessária a remoção de um IED (Carvalho, 2011). A Tabela 2 demonstra um comparativo entre cada um dos protocolos da IEC (Antonova, Frisk e Tournier, 2011). Tabela 2. Quadro comparativo de protocolos IEC Perda de Tempo de Recuperação Protocolo Topologia Quadro De 10 a 500 ms MRP Sim Anel para 50 switches PRP Não Mesh 0 s HSR Não Anel 0 s CRP Sim Mesh BRP Sim Mesh DRP Sim Anel, Anel Duplo 1s para até 512 nós 4.8 ms para até 500 nós 100 ms para até 50 switches 3.4 Requisitos para equipamentos de comunicação em subestações Além da aplicação de redundância outro requisito de extrema importância no projeto de redes de comunicação para um SAS diz respeito à especificação dos componentes. Os equipamentos utilizados para implementação de redes Ethernet em subestações aplicados em SAS requerem desempenho em tempo real. Outro ponto chave é com relação aos requisitos de imunidade a indução eletromagnética (EMI). A seção 5.7 da IEC define que os requisitos gerais aplicados em ambientes industriais não são suficientes para aplicação em uma subestação onde é necessário atender os requisitos apresentados na norma IEC (Pozzuoli, 2006). Outros requisitos que devem ser cuidadosamente analisados para os equipamentos de comunicação de um SAS são: robustez, requisitos ambientais, temperatura de operação, vibração e as características dos cabos a serem utilizados (Woodward, s.d.). 4 Análise da confiabilidade das redes de comunicação A confiabilidade das redes de comunicação é de extrema importância para correta operação do SEP baseado na IEC 61850, por isto diversos fabricantes de IEDs e profissionais da área vem estudando este assunto. Com o objetivo de demonstrar a eficiência da utilização destas redes apresenta-se a seguir o resumo de um trabalho de investigação de sua confiabilidade (Anderson e Brand, 2005). A análise é feita utilizado o modelo de Markov que é uma técnica útil para modelar a confiabilidade de sistemas onde as falhas são estatisticamente independentes e as taxas de reparo e falha são constantes. Neste modelo cada elemento possui basicamente dois estados: em operação (EO) e fora de operação (FO). São definidas também as probabilidades de transição do EO para FO, e de FO para EO, ou seja, as taxa de falha e reparo respectivamente (Souza, 2012). A falha é a transição do estado EO para o FO e o reparo é a transição no sentido inverso. O modelo utilizado é baseado nos princípios de Markov e possui os seguintes parâmetros: taxas de falha (L), recuperação (M) e detecção de erro (E). Considera-se que o sistema pode assumir três estados: Operação normal (P1): Sistema operando dentro das condições esperadas. Falha (P2): Sistema com falha ainda não detectada. Neste estado o sistema pode ficar indisponível e inseguro. Falha detectada (P3): Neste estado a falha já é conhecida levando a tomada de medidas com o objetivo de levar o sistema à operação normal, possivelmente com a disponibilidade reduzida se o sistema não possuir características de redundância. A relação entre estes estados e os parâmetros é apresentada na Fig. 11. Figura 11. Modelo de Markov 2443

7 Um sistema pode ser considerado inseguro quando algum IED do sistema não está acessível devido à falha de comunicação. Este estado é mantido até que a rede detecte a falha e reconfigure de modo que todos os IEDs fiquem disponíveis novamente. A partir do modelo apresentado foi proposto o cálculo da probabilidade do sistema assumir o estado seguro a partir da seguinte equação: Configuração Tabela 3. Resultados Barramento de Processo. Tempo de MTTF MTBR reconfiguração (anos) (anos) (ms) Custo Relativo (%) S1 12,9 4, S2 17,6 4, S3 27,3 11, S4 34,5 2, Para um sistema com redundância pode-se considerar que a recuperação é automática, sendo assim M=1, com isto a equação de disponibilidade é dada por: São estudados diversos cenários e calculados o MTTF (Tempo Médio para Falha) e o MTBR (Tempo Médio entre Reparos). O trabalho apresenta resultados tanto para a análise do barramento de processo quanto para o de estação em diversas configurações. A seguir são apresentados os principais resultados encontrados para o barramento de processo que para aplicações de proteção é o mais importante. Para avaliar a confiabilidade do sistema é necessário conhecer os dados de falha de cada dispositivo. Neste trabalho foram considerados os valores de MTTF indicados a seguir que são dados informados por fabricantes tradicionais e podem ser obtidos nos manuais dos equipamentos: IED: 100 anos. Switches até 8 portas: 50 anos. Switches com mais de 8 portas: 40 anos. São analisadas para o barramento de processo as seguintes configurações: S1: Anel Simples com IEDs de uma única porta interligados a switches individuais. S2: Anel Simples com IEDs de duas portas conectadas em switches individuais. S3: Estrela Dupla com IEDs de duas portas conectadas cada uma em um único switch por estrela. S4: Anel Duplo com IEDs de duas portas cada uma conectada em switches individuais e redundantes. Para efeito de calculo foi considerado o tempo de recuperação de 100 ms, valor típico para um STP padrão. Outra consideração para o cálculo foi a quantidade de dispositivos do sistema sendo definido 8 bays com um switch em cada um deles representado uma subestação de médio porte. Os resultados são apresentados a seguir. Observa-se que para redes duplas não existe tempo de reconfiguração o que não ocorre para configurações simples. Os custos apresentados são relativos considerando principalmente a quantidade de switches utilizados, para comparação do custo real de cada configuração é necessário uma análise mais detalhada avaliando todos os equipamentos e materiais. Verifica-se na Tabela 3 uma variação nos resultados para cada configuração, a solução ideal deve ser avaliada durante a execução do projeto e depende de vários fatores como: quantidade e distribuição dos dispositivos, requisitos de comunicação, tolerância a falhas, custo, etc. Mitalkumar e Tarlochan (2009) apresentam um estudo similar ao de Anderson e Brand (2005) obtendo resultados próximos. A diferença é o método proposto para cálculo da confiabilidade e disponibilidade, neste caso são consideradas funções de confiabilidade e diagramas de blocos para calcular os parâmetros. As funções de falhas utilizadas consideram exponenciais para determinar as taxas de falha dos dispositivos do SAS em função de seu tempo de utilização. Sun (2011) apresenta um estudo similar ao de Mitalkumar e Tarlochan (2009) utilizando funções de confiabilidade para determinação da disponibilidade dos barramentos de processo obtendo resultados semelhantes. 5 Conclusões Ao final deste trabalho pode-se afirmar que o uso de redundância em redes de comunicação de um SAS é um requisito válido para garantir a funcionalidade e segurança do sistema principalmente na camada física onde ocorre a maior parte das falhas. A análise de confiabilidade através da aplicação do modelo de Markov comprova a eficiência da utilização de redundância com o objetivo de aumentar a disponibilidade das redes de comunicação uma vez que o MTTF obtido para as redes em configuração dupla é muito superior a simples. Um ponto de destaque na utilização de redundância é a aplicação da norma IEC para obter redes Ethernet de alta confiabilidade e disponibilidade independente dos fornecedores. É recomendado 2444

8 que nos projetos de SAS os equipamentos utilizados possuam compatibilidade com os protocolos HSR ou PRP, principalmente nos barramentos de comunicação que trafegam informações de proteção garantindo um tempo de recuperação igual a zero e evitando a perda de quadros. É importante observar que a utilização destes protocolos só é possível com as topologias anel e mesh respectivamente. Em redes de grande porte deve ser dada atenção especial à configuração dos switches sendo o tempo de reconfiguração um parâmetro crítico. 6 Referências Anderson, L. e Brand K. P. (2005). Reliability investigations for SA communication architectures based on IEC Power Tech. São Petesburgo, pp Antonova, G., Frisk, L. e Tournier J. (2011). Communication Redundancy for Substation Automation. Annual Conference for Protective Relay Engineers, College Station, TX, pp Carvalho, P. C. (2011). Rede Ethernet de Alta Disponibilidade para Sistemas de Proteção Baseados na Norma IEC º Congresso Internacional e Exposição Sul-Americana de Automação, Sistemas e Instrumentação, São Paulo, pp Architectures. Power & Energy Society General Meeting, Calgary, AB, pp Pozzuoli, M. P. (2003). Industrial Ethernet Issues and Requirements, University of Toronto Ontario, pp Pozzuoli, M. P. (2006). Ethernet in Substation Automation Applications Issues and Requirements. Power Engineering Society General Meeting, Montreal, Que, pp Sun X., Redfern M., Crossley P., Yang L., LI H., Anombem U.B., AN W. e Chatfield R. (2011). IEC 61850:9-2 Process Bus Architecture for Substation Protection Schemes. Advanced Power System Automation and Protection (APAP), International Conference, Beijing, pp Tan, J.; Luan, W. (2011). IEC Based Substation Automation System Architecture Design. Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, pp Woodward D. (s.d.) Schweitzer Engineering Laboratories. Questões relacionadas com aplicação de rede ethernet em subestações. 7 Simbologia Guerrero, C. A. V. (2011). Uso do RTDS em Testes de Esquemas de Teleproteção Aplicando O Padrão IEC Dissertação de Mestrado Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Itajubá, pp Iadonisi, D. (2010). Areas for Redundancy in Ethernet Systems with focus on IEC Applications. International Society of Automation Souza, João Ricardo da Mata Soares (2012). Desenvolvimento de uma Metodologia para a Avaliação da Confiabilidade dos Ajustes de Relés Diferenciais de Transformadores Baseada no Método de Monte Carlo. Dissertação de Mestrado Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais, pp Midence, R. e Iadonisi, D. (2009). Ethernet Networks Redundancy With Focus on IEC Applications. 20th International Conference on Electricity Distribution, Prague, pp Mitalkumar G. K. e Tarlochan S. S. (2009). Reliability and Availability Analysis of IEC based Substation Communication 2445