TEMA: Automação e digitalização de usinas, subestações, redes de distribuição e instalações de grandes consumidores

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1 IT 155 TEA: Automação e digitalização de usinas, subestações, redes de distribuição e instalações de grandes consumidores Experiência na aplicação do IEC na especificação de um bay de linha Carlos V. Cardoso Luiz Carlos agrini Daniel Augusto artins José A. Jardini Universidade São Paulo Universidade São Paulo Eletronorte Universidade São Paulo 1 1 Endereço: Av. Prof. Luciano Gualberto, Trav. 3, No 158, Sala A2-16, Cid. Universitária CEP: São Paulo/SP Brail cavica@usp.br

2 2 Experiência na aplicação do IEC na especificação de um bay de linha Carlos V. Cardoso, Luiz Carlos agrini, Daniel Augusto artins e José Antonio Jardini Resumo O padrão IEC visa obter interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes, bem como a integração de informações entre os sistemas de proteção, monitoramento, medição, controle e automação de subestações. Para tanto são definidos mecanismos para a modelagem das informações de campo por meio da tecnologia de orientação a objetos, também são padronizados modelos de comunicação, orientados tanto para facilitar a implementação de sistemas SCADA, quanto para aplicações de inteligência distribuída entre IEDs (Intelligent Etectronic Devices). Estas características tornam o IEC o padrão do futuro, que permitira às concessionárias maior liberdade na compra de equipamentos, além de tirar um maior proveito da capacidade de processamento, cada vez maior dos dispositivos de campo. Por outro lado, além de especificar estes mecanismos, o IEC também possui um forte suporte para a descrição formal das subestações e sistemas de automação. É importante para as concessionárias entender estas partes do padrão, que facilitarão as tarefas de especificação e projeto dos sistemas de automação. Desta forma, o presente trabalho analisa desde o ponto de vista de usuário a experiência no projeto de um sistema piloto utilizando as ferramentas de especificação e descrição que o IEC oferece, particularmente será analisada a aplicação deste padrão para a automação de um bay de linha no contexto da configuração Barra Principal/Transferência visando a implementação de um sistema piloto Palavras-Chave: IEC 61850, Automação de Subestações, Inteligência Distribuída, Orientação a Objetos e Especificação funcional. 1.0 INTRODUÇÃO Neste trabalho são estudadas e discutidas sob o ponto de vista metodológico as vantagens que o IEC oferece para as etapas de especificação e projeto de sistemas de automação de subestações. Particularmente será analisada a aplicação deste padrão para a automação de um bay de linha de transmissão no contexto de uma configuração Barra Principal/Transferência, visando a implementação de um sistema piloto que é parte do projeto de pesquisa e desenvolvimento que esta sendo realizado em forma conjunta entre a USP e a Eletronorte. Neste artigo primeiramente é introduzido o padrão IEC bem como suas principais características. Em seqüência é descrita a metodologia utilizada na aplicação deste padrão na especificação e projeto de sistemas de automação de subestações, sendo esclarecida a luz do caso de estudo. 2.0 IEC O IEC International Electrotechnical Commission, em 1995 reconheceu a necessidade de elaborar um padrão abrangendo redes de comunicação e sistemas em subestações, assim formou os grupos de trabalho: TC57, WG10, WG11 e WG12 com a missão de desenvolver um padrão que permita a interoperabilidade de IEDs de diferentes fabricantes e que ao mesmo tempo apresente um grau de confiabilidade adequado com suporte às funções especificas da automação elétrica, este padrão denominou-se IEC [1]. Diferentemente dos outros protocolos até agora disponíveis, orientados à aquisição de dados e comando remoto, o IEC visualiza a automação como um conjunto de funções que podem interoperar em forma distribuída, estas funções poderão estar alocadas em diferentes dispositivos físicos, os que poderão estar geograficamente distribuídos e conectadas em rede. Ao mesmo tempo procura-se utilizar estes mesmos princípios para a integração numa mesma rede de dispositivos de funções de medida, controle e proteção. O objetivo principal do padrão IEC é permitir uma integração total das informações de campo usando padrões não proprietários, visando assim reduzir os custos de engenharia, comissionamento, monitoramento, diagnóstico e manutenção. Ao mesmo tempo este padrão deverá comprometer-se com as exigências de desempenho, suportando futuros desenvolvimentos Do ponto de vista de projeto três são os mecanismos definidos pelo IEC que permitiram elaborar um projeto da automação de uma subestação: modelos de objetos, serviços de comunicação e linguagem SCL. A seguir uma breve descrição destes itens odelo de Objetos Como expressado anteriormente, o IEC visualiza a automação de uma subestação como um conjunto de funções que podem interoperar em forma distribuída. O IEC utiliza a tecnologia de orientação à objeto para definir uma modelagem de dados orientada à informação e não ao dispositivo nem ao protocolo [2], [3]. Desta forma, as funções de automação de subestações serão divididas em sub-funções ou nós lógicos (denominados na norma como LNs) que poderão ser alocados em diferentes dispositivos Lógicos (denominados na norma como LDs), por sua vez os LD serão alocados nos dispositivos físicos. Resumidamente, uma função de automação poderá ser implementada pela interação de LNs pertencentes a diferentes LDs e alocados em dispositivos físicos ou IEDs diferentes.

3 3 Exemplos de LNs são a representação dos disjuntores e chaves (abreviado XCBR ) e das funções de relé para a proteção de distância ( PDIS ). Estes elementos permitem criar os modelos de informação de um dispositivo real da subestação (ex. bay de linha). Os LNs estão formados pela agregação de classes comuns de dados (CDC), as que por sua vez são compostas da agregação de unidades de dados (DOs) Serviços de Comunicação No IEC são especificados modelos de comunicação denominados ACSI (Abstract Communication Service Interface). Estes modelos podem ser agrupados em dois grupos [4]: odelos do tipo Cliente-Servidor. Este modelo agrupa um conjunto de serviços orientados principalmente à realização das seguintes ações: acesso às informações, notificação automática de informações, sincronismo, comando, transferência de arquivos, seqüência de eventos. odelos de comunicação de eventos. Inicialmente orientados a implementação das aplicações de proteção utilizando uma comunicação multicast peer to peer entre IEDs, Na Tabela 1 são resumidos brevemente os serviços ACSI. TABELA 1. odelos e serviços ACSI. odelo Descrição Servidor Representa o comportamento visível externo do dispositivo Acesso a Dados Provê os meios para acessar os objetos de informação existentes em campo. Dispositivo Lógico Representa um grupo de funções agrupadas como um dispositivo lógico Nó Lógico Representa função específica do sistema de subestações ex. proteção de sobre-tensão. Configuração do grupo de Define como mudar os grupos de parâmetros ativos nos relés. controle Notificação Automática ou Log Descreve as condições para gerar notificações automáticas, seja periódicas ou disparadas por eventos, bem como o registro de eventos. Transmissão de Valores Transferência rápida e cíclica de amostras, ex. Transformadores de instrumentação. amostrados Controle Descreve os modos de controle ex. Controle Direto ou SBO (Select Before Operation). Sincronização Provê uma base de temporização para o sistema Transferência de Arquivos Define o intercâmbio de grandes blocos de dados. Sistema de transmissão por eventos GOOSE Provê uma distribuição rápida e confiável de dados; intercâmbio de dados binários no modelo peer-to-peer entre IEDs Os modelos de comunicação ACSI são descritos em função de serviços abstratos de comunicação, por exemplo o modelo de comunicação de acesso a dados, por ex. define os serviços GetDataValues, SetDataValues, utilizados para leitura e escritura de informações de campo Linguagem SCL O IEC no volume 6 também define uma linguagem padronizada de configuração de Subestações denominada Substation configuration description language (SCL) esta linguagem tem seu escopo claramente restrito a dois propósitos [5]: Descrição das capacidades dos IEDs. Descrição do Sistema Descrição das capacidades dos IEDs. O SCL é uma linguagem que possui a capacidade de descrever a modelagem de objetos mostrada na seção 2.1. Assim para IED serão mostrados os dispositivos lógicos LD, os nós lógicos LN, as classes comuns de dados CDC Descrição do Sistema. A linguagem SCL possui os recursos necessários para a descrição funcional do sistema nos seguintes contextos: Estrutura primária do sistema: onde são descritos os equipamentos primários (ex. barras, linhas de transmissão, transformadores, disjuntores, chaves seccionadoras) e sua conexão elétrica. Sistema de comunicação. Descreve a topologia das subredes e redes, bem como seus pontos de acesso (portos de comunicação). Aplicações no nível de comunicação. Como os dados são agrupados e que serviços de comunicação utilizam. Definição de tipos e instâncias dos nós lógicos e suas relações com os IEDs e os equipamentos primários nos bays de subestação. Para realizar esta descrição o SCL utiliza um modelo de objetos que apresenta três níveis de objetos básicos:

4 4 Subestação: Os dispositivos do bay (dispositivos do processo), sua conexão, e a designação do dispositivo e funções descritas. A designações são construídas de acordo a estrutura funcional do IEC Produto: padroniza os objetos relacionados ao produto como o IED e os nós. Comunicação: Este tipo de objetos relacionados como pontos de acesso, e descreve as conexões entre IEDs indiretamente entre LN como clientes e servidores. 3.0 etodologia de Projeto IEC A seguinte seção descreverá a metodologia adotada para a especificação e projeto de sistemas de automação de subestações, tomando como base a especificação da automação de um bay de linha utilizando o IEC A metodologia utilizada para a especificação e projeto visualiza a descrição do sistema de automação segundo três pontos de vista: Especificação funcional Requisitos de desempenho. Etapa de Engenharia Para efeito da especificação são necessárias unicamente as primeiras duas etapas, porém para efeito de projeto será necessário incluir a última etapa. O caso de análise apresenta a configuração barra principal e de transferência conforme pode ser observado na Figura 1. O bay utilizado nesta descrição será o bay de linha Q2. Bay Disjuntor Interligação=Q1 Bay Linha=Q2 LT =QB3 FIGURA 1.- Configuração Barra Principal/Transferência Especificação Funcional. Esta descrição encarrega-se principalmente de especificar as funções de controle e proteção da subestação segundo os objetos definidos pelo IEC Além destes diagramas a especificação funcional deverá apresentar lista de serviços de comunicação que os IEDs deverão disponibilizar [6],[7] Diagramas funcionais Os diagramas funcionais IEC são análogos aos clássicos diagramas de proteção e controle que utilizam a norma IEEE c37.2, devendo mostrar as funcionalidades de proteção e controle do sistema como uma interação entre LN (nos lógicos). Os LNs permitem definir requisitos funcionais em forma padronizada sem fazer referência a qualquer implementação. Na Figura 2.a pode se observar a especificação funcional de um sistema de automação de bay de linha na forma convencional, especificando as funções de proteção proporcionadas pelos relés. Por outro lado, a especificação funcional da Figura 2.b mostra a interação entre as unidades funcionais ou nós lógicos padronizados no IEC 61850, independente de qualquer implementação, dando a liberdade ao provedor de adotar a quantidade e tipo de equipamentos mais adequadas desde que possuam as funções (LNs) especificadas na figura.

5 5 PDIS 27 59I 59T 27L 27B 25 WI N 21 67N TPTR XU TCTR PTUV PTOV PIOC PDEF RSYN RCPW RPSB RDRE RBRF 59I 59T 27L 27B AEq 25 WI Int a XCBR CILO RREC RFLO =QB3 =QB3. FIGURA 2- (a) Descrição convencional da Automação de Bay de Linha. FIGURA 2- (b) Descrição Funcional do Bay de Linha segundo o IEC odelo de Objetos A listagem dos objetos é análoga à clássica lista de pontos que acompanha a especificação de um projeto, por outro lado esta lista deverá estar formatada segundo os objetos definidos nos documentos IEC , IEC [7]. Assim todos os LNs e seus atributos deverão ser incluídos nesse modelo. Na Tabela 2 são apresentados os atributos de um LN: XCBR (modelo do disjuntor). Tabela 2. odelo de objetos LN: XCBR LN XCBR Disjuntor Descrição Nome do Objeto T CDC /O Informação Básica do Nó Lógico odo ode ISC Comportamento Beh ISI Estado do Nó Lógico Health ISI Dados de Placa Name PLATE Operação local Loc SPS Saúde do Equipamento Externo EEHealth ISI O Dados de Placa do Equipamento Externo EEName PLATE O Contador de Operações reinicializável OperCntRs ISC O Dados de Controle Posição do Disjuntor Pos DPC Bloqueio de abertura BlkOpen SPC Bloqueio de fechamento BlkClos SPC ola carregada ChotEna SPC O Informação de Estado Capacidade física de Operação do Disjuntor CBOpCap ISI Capacidade de comutação em sincronismo com a tensão POWCap ISI O Lista de serviços De acordo com este item é importante na especificação de um sistema de automação definir, independentemente da alocação ou quantidade de IEDs, a lista dos modelos de comunicação necessários [7]. Por exemplo, no contexto do modelo de comunicação cliente-servidor, um dos principais serviços utilizados é o de notificação automática que permitirá a configurar a atualização do sistema SCADA, e se houver necessidade de comandar remotamente os disjuntores o serviço de comando SBO (Select Before Operation) também deverá ser incluído. Como um exemplo, na Tabela 3 é mostrada a especificação dos modelos de comunicação necessários para a implementação do bay de linha.

6 6 Tabela 3. Especificação de modelos de comunicação para automação Bay de Linha. odelo Obrigatório ()/Opcional (O) Servidor Acesso a Dados Dispositivo Lógico Nó Lógico Configuração do grupo de controle Notificação Automática ou Log Transmissão de Valores amostrados O Controle Sincronização Transferência de Arquivos Sistema de transmissão por eventos GOOSE 3.2. Requisitos de desempenho Nesta etapa são especificadas as características das interfaces de comunicação em função de quesitos como tempo de resposta e taxa de transmissão. Nesta etapa também é definida segurança que os IEDs deverão oferecer Tempo de resposta O protocolo IEC divide as mensagens de comunicação em classes cujos requisitos de tempos vão de menores que um até maiores que 1000 ms, como mostrados na Tabela 4, refletindo as necessidades dos fluxos de comunicação de uma subestação. Por outro lado também são definidos esquemas de prioridades para garantir estes tempos de resposta. Tabela 4 Faixa de requisitos de tempo para cada interface [9] Tipo de fluxo <1ms 1ms 10ms 100ms 1000ms >1000ms Transmissão das amostras de corrente e tensão Comunicações entre os IEDs do bay Comunicação entre bays Comunicação entre bay e controle da subestação Comunicações entre subestações Comunicações entre a subestação e o Operador da rede No presente caso, bay de linha, os equipamentos deverão implementar as classes de comunicação com tempos de transmissão de no mínimo 1ms. Não será considerado o fluxo de informação que descreve a comunicação das amostras de corrente ou tensão aos diferentes relés que os utilizaram, com requisito de tempo menor que um milisegundos (<1ms) Tipo de rede e Taxa de transmissão O presente projeto levou em consideração as simulações de desempenho de comunicações em subestações padrão ( Kv), apresentadas no IEC [8]. Neste estudo foi avaliado o comportamento de quatro tipos de redes LAN: Ethernet com hub de 10B; Ethernet switchada de 10B; Ethernet com hub de 100B e Ethernet switchada em 100B. Destas quatro redes, três conseguiram enviar o numero de mensagens necessárias em forma satisfatória: Ethernet switchada de 10B; Ethernet com hub de 100B e Ethernet switchada em 100B. Para efeitos da especificação do bay de linha foi selecionada a rede Ethernet switchada em 100B, por ser a mais rápida e a melhor alternativa no tratamento das colisões Segurança No que diz respeito à segurança considerou-se como regra utilizar valores típicos de probabilidade de falha para os equipamentos de proteção (10-5 /h e 10-6 /h) [6]. Tabela 4.- Resumo dos requisitos de Desempenho. Requisito Faixa Unidades Requisito de tempo 1 ms Ethernet LAN comutada (utilizando switchs) 100 B Probabilidade de falha /h

7 7 4.0 Etapa de Engenharia A metodologia mostrada no ítem anterior seria suficiente para especificar a compra de um sistema. Porém para o desenvolvimento do projeto a especificação funcional terá de ser detalhada com a alocação dos LNs nos IEDs, em diagramas finais de controle e proteção como mostrado na Figura 3. Esta alocação dependerá de fatores como: desempenho dos equipamentos, disponibilidade no mercado, relação custo beneficio e até política da empresa. Particularmente no caso de estudo um dos principais empecilhos do projeto é que ainda não existem no mercado os equipamentos que implementem todos os nós lógicos segundo a concepção do IEC Por exemplo os blocos TCTR e TVTR, deveriam ser implementados em equipamentos conhecidos como erging Unit, encarregados de difundir as medidas de corrente e tensão a todos as demais funções via mensagens de rede. Porém nas pesquisas realizadas não se encontrou tais produtos no mercado internacional e muito menos no mercado local. Assim foram especificados dois equipamentos: um relé de proteção distância e uma unidade controladora de bay, ambos com suas respectivas entradas de tensão e corrente, como mostrado na Figura 3.a. Partindo dos diagramas unifilares finais (Figura 3.a) a linguagem SCL descreverá em primeira instancia os equipamentos primários e sua conexão elétrica, os IEDs, com seus respectivos LNs. Na Figura 3.b é dado em forma resumida o arquivo SCL correspondente a configuração do bay da Figura 3.a. TPTR XU TCTR Controle de Bay XCBR CILO =QB3 Relé A TPTR TCTR PDIS RREC PTUV RBRF PDEF RSYN PIOC RPSB RFLO RCPW RDRE FIGURA 3- (a) Especificação funcional final da automação de bay de linha. <Substation Ref= > <VoltageLevel Ref= D1 Voltage= 220kV > <Bay Nam= Q2 > <ConNode Nam= L1 /> <Device Nam Type= CTR > <Device Nam= Type= VTR > <Device Nam= QB2 Type= DIS > <LNode Ref= 1 LNClass= IEDRef= D1Q2KA1 /> <LNode Ref= 1 LNClass= IEDRef= D1Q2KA1 /> <LNode Ref= 1 LNClass= CILO IEDRef= D1Q2KA1 /> <Device Nam= QA1 Type= CBR > <LNode Ref= 1 LNClass= TPTR IEDRef= D1Q2KA1 /> <LNode Ref= 1 LNClass= TCTR IEDRef= D1Q2KA1 /> <Device Nam= QB1 Type= DIS > <LNode Ref= 1 LNClass= IEDRef= D1Q2KA4 /> <LNode Ref= 1 LNClass= IEDRef= D1Q2KA4 /> <LNode Ref= 1 LNClass= CILO IEDRef= D1Q2KA4 /> <Device Nam= QB3 Type= Dis > <LNode Ref= 1 LNClass= IEDRef= D1Q1KA4 /> <LNode Ref= 1 LNClass= IEDRef= D1Q1KA4 /> <LNode Ref= 1 LNClass= CILO IEDRef= D1Q1KA4 /> Figura 3-(b) Resumo do arquivo SCL. As denominadas Restrições particulares incluem aspectos como topologia e extensão geográfica, incluindo: a existência de prédios, a distribuição física dos componentes do bay, a blindagem da sala de operação etc. Estas restrições têm a capacidade de influenciar a arquitetura do sistema considerando a possível alocação dos IED e o enlace de comunicação resultante [6]. Outras condições de contorno são definidas pelas interfaces para sistemas auxiliares, para os disjuntores e a rede do centro de controle. Os requisitos de desempenho junto com as restrições particulares definem a arquitetura física do sistema. 5.0 Conclusões O IEC disponibiliza mecanismos para padronizar o processo de especificação, no que diz respeito a funcionalidades e desempenho. Também facilita as tarefas de projeto, principalmente da engenharia ao prover uma linguagem de descrição independente, que permitirá a configuração dos IEDs quaisquer que sejam os fabricantes. Além disso; a linguagem SCL permite descrever tanto a configuração da subestação como da rede de comunicações, formalizando a tarefa de projeto da rede de automação. A abstração das funções independentemente do equipamento, permite orientar o processo de especificação à função, dando ao provedor ou a mesma concessionária maior liberdade na definição da implementação final. Uma vez que o padrão IEC foi aprovado ha pouco tempo, ainda não existe uma variedade de equipamentos que possibilite sua plena utilização.

8 8 6.0 Bibliografia [1] Shepard, B. Jansen,. C. Schubert,. Standardized Communication in Substations. In: IEE Seventh International Conference on Development in Power System Protection, 2001, Amsterdam Proceeding.Amsterdam: IEE, p [2] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 7-1: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Principles and models; IEC [3] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 7-3: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Common data classes; IEC [4] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Abstract communication service interface (ACSI); IEC [5] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Parte 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs; IEC [6] K. P. Brand, C. Brunner, W. Wimmer. Desing of IEC based Substation Automation Systems According to Customer Requirements. In: Cigre [7] J. arco, K. P. Brand. The Specification of IEC Based Substation Automation Systems. In: DistribuTech Conference San Diego, Proceeding. San Diego: Utility T&D [8] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 5: Communication Requirements for Functions and Device odels; IEC [9] CIGRE WG Communication Requirements in Terms of Data flow within Substation/Besoins em communication exprimés en flux de données à l intérieur des postes, ELECTRA No 173, Ago [10] IEC International Electrotechnical Commission. Draft Communication networks and Systems in substations. Part 7-4: Basic communication structure for substation and feeder equipments- Compatible logical node classes and data classes; IEC