ESTUDO DA NORMA IEC : DESAFIOS PARA A IMPLEMENTAÇÃO DE UM BARRAMENTO DE PROCESSO EM TEMPO REAL

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1 ESTUDO DA NORMA IEC : DESAFIOS PARA A IMPLEMENTAÇÃO DE UM BARRAMENTO DE PROCESSO EM TEMPO REAL G. Igarashi* E. L. Pellini * J. C. Santos* *Escola Politécnica Universidade de São Paulo RESUMO O objetivo deste artigo é apresentar um resumo das principais dificuldades levantadas pelos autores para a implementação da Norma IEC Os resultados desta pesquisa serão apresentados sob a ótica de quatro tópicos pertinentes: as variações da Norma IEC , a confiabilidade do barramento, o sincronismo de tempo e a precisão de medição. Esta pesquisa possui como objetivos principais construir uma base teórica para desenvolvimento de uma interface de comunicação de um protótipo de TP óptico com um barramento de processos obedecendo ao padrão IEC , e fomentar a discussão acerca do tema. PALAVRAS-CHAVE IEC , redes em tempo real, confiabilidade de redes, sincronismo de tempo. 1. INTRODUÇÃO A Norma IEC61850 está caminhando para determinar um novo padrão a ser adotado para a automação de subestações em todo o mundo. Subdividida em dez partes a IEC é a parte que estabelece diretrizes para a implementação de um barramento de processo em tempo real capaz de transmitir valores amostrados e digitalizados de correntes e tensões medidos, respectivamente, através de transformadores de corrente (TCs) e transformadores de tensão (TPs). Esta nova configuração, embora ofereça uma série de vantagens para os Sistemas de Automação de Subestações (SASs), acrescentou novos desafios a serem superados para que se torne implementável de fato. As principais dificuldades foram levantadas pelos autores e serão abordadas, a seguir, organizadas em quatro grupos distintos: as variações da Norma IEC , a confiabilidade do barramento, o sincronismo de tempo e a precisão da medição. 2. A NORMA IEC E SUAS VARIAÇÕES As mensagens SV, utilizadas pela IEC , são mensagens rápidas (tipo 4) e sua performance é definida em diferentes classes pela IEC , segundo a finalidade do valor medido (proteção e controle ou medição) e a taxa de amostragem. Por exemplo, para a finalidade de proteção e controle, a classe P2 define 3ms como sendo o tempo de transmissão máximo e uma resolução de 16 bits para tensão e 16 bits para corrente. Seu modo de transmissão é multicast e sua arquitetura segue o padrão publisher-subscriber, semelhante as mensagens GOOSE, mas com a diferença de não utilizar a dinâmica de repetição de mensagens. A Norma IEC estabeleceu dois formatos distintos para a transmissão dos valores amostrados: a IEC e a IEC Ambos os formatos trabalham com a transmissão dos valores 1 / 8

2 diretamente sobre o frame padrão IEC (também conhecido como padrão Ethernet), conforme ilustra a Figura 1. Figura 1: Formato do frame ISO/IEC Os dados estão organizados em uma estrutura (chamada APDU), composta por um cabeçalho (chamado APCI) e por uma estrutura de dados (chamada ASDU) que contém os valores de tensão e corrente amostrados, conforme mostra a Figura 2. Cada ASDU contém uma amostra dos valores de tensão e corrente. É permitido que uma APDU contenha mais de uma ASDU. Esta concatenação de ASDUs é um parâmetro de configuração do sistema que não é dinamicamente variável, e deve ter seu valor pré-estabelecido no momento de elaboração do projeto com o objetivo de reduzir a complexidade de sua implementação. Figura 2: concatenação de várias ASDUs, em conjunto com a APCI, formando uma APDU A diferença entre os dois formatos reside, basicamente, na formatação do ASDU. Na Norma IEC seu formato é fixo, seguindo um Dataset universal estabelecido previamente na Norma IEC , conforme mostra a Figura 3. Observe que este ASDU prevê dois campos para expressar os valores de corrente (Current Phase x,prot. para proteção e Current Phase x,mes. para medição) e um campo para tensão (Voltage phase x ). Esta distinção se deve ao fato que, em 2 / 8

3 operação normal, os valores de correntes são menores e necessitam de precisão, principalmente para fins de controle de tarifa. Portanto, utilizam uma determinada faixa de medição. Numa situação de curto circuito as correntes são elevadas e para que possam ser lidas sem ultrapassar o fim da escala adotada para fins de medição necessitam de uma outra faixa de medição. A tensão, em ambas as situações, não tem seu valor alterado significativamente, portanto, possui somente uma faixa de medição. Figura 3: conteúdo da ASDU (Dataset universal), baseado na especificação da Norma IEC Já o padrão adotado pela IEC utiliza um Dataset configurável baseado em uma APDU codificada segundo o padrão ASN.1 (ISO/IEC ) conforme ilustra a Figura 4, o que a torna mais versátil em relação ao Dataset universal, que não pode ser configurado. 3 / 8

4 Figura 4: Exemplo de uma APDU codificada em ASN.1, com quatro ASDUs concatenados Em 2004 foi desenvolvido pela organização UCA, em conjunto com os principais fabricantes de equipamentos do setor, um guia de implementação da Norma IEC conhecido como IEC LE (Light Edition). Neste documento foram definidas algumas diretivas em comum acordo com o objetivo de restringir as definições especificadas na Norma, que são muito abrangentes, e auxiliar a implementação da Norma IEC nos barramentos de processo das subestações. Dentre estas diretivas destacam-se a recomendação do padrão IEC (ao invés do padrão IEC ), a definição de taxas específicas de amostragem (80 amostras/ciclo para aplicações de proteção e 256 amostras/ciclo para aplicações de medição e qualidade de energia) e a metodologia para o sincronismo de tempo (pulso de 1pps). 3. CONFIABILIDADE DO BARRAMENTO DE PROCESSO A Norma IEC define algumas alternativas de arquiteturas de barramento de processos propondo, por exemplo, a segmentação do barramento de processo em barramentos individuais para cada bay e interconectando-os através de roteadores. A conexão física entre eles seria feita, inicialmente, utilizando um barramento Ethernet simples, e a Norma IEC61850 não define mecanismos de redundância contra possíveis problemas que possam ocorrer no barramento como, por exemplo, a queima de um determinado da rede, ou a desconexão acidental de um cabo da rede. Devido principalmente ao esforço dos fabricantes em querer aumentar a confiabilidade do barramento de rede frente a esses problemas começaram a surgir no mercado diferentes soluções de implementação destes barramentos de tempo real (com arquiteturas muitas vezes especificas de um determinado fabricante), tanto no barramento da subestação, quanto no barramento de processo. Tal fato aponta para a necessidade de se estabelecer uma arquitetura comum que se torne padrão, que não comprometa a interoperabilidade entre IEDs de diferentes fabricantes, e que garanta confiabilidade para o barramento de rede. Um exemplo de arquitetura encontrada é a interligação em anel entre os es, conforme Figura 5. Cada IED possui duas interfaces de rede, cada uma delas conectada em um diferente deste anel. A informação transita pelo anel segundo um determinado sentido (por exemplo, no sentido horário). Caso ocorra um problema em uma conexão entre o IED e um, o frame será enviado pela outra conexão. Caso ocorra um defeito em algum o fluxo de dados se inverte quando chegar no defeituoso. 4 / 8

5 IED1 A B IED4 IED2 D C IED3 Figura 5: Arquitetura em anel (conexão em vermelho) Outro exemplo de arquitetura encontrada é a transferência da função de para dentro do IED, conforme Figura 6. Nesta configuração o IED possui duas interfaces de rede e estas interfaces são interligadas formando um anel, que pode ou não utilizar a mesma lógica vista anteriormente para o restabelecimento do fluxo de dados quando um determinado, ou uma determinada conexão do anel, apresentar problemas. IED1 IED4 IED2 IED3 Figura 6: Arquitetura em anel com incorporado Uma outra arquitetura que vem ganhando destaque e aceitação entre fabricantes e pesquisadores da área é a redundância de barramento oferecida pelo protocolo PRP, descrito pela Norma IEC , conforme Figura 7. IED1 IED1 REDE A REDE B IED3 Figura 7: Arquitetura redundante, segundo o protocolo PRP Nesta configuração o barramento de rede, que pode ser uma conexão Ethernet simples com es na configuração estrela, é duplicado e cada IED possui duas interfaces de rede, cada uma conectada em um dos barramentos de rede. Antes de enviar qualquer mensagem o IED adiciona um cabeçalho do protocolo PRP, que possuí a função de gerenciar a chegada da informação no outro IED, e envia a mensagem igualmente nas duas interfaces. A primeira mensagem a chegar no IED de destino, se não contiver nenhum problema, é a que será aceita. A mensagem que chegar a seguir será desprezada. Para 5 / 8

6 aumentar ainda mais a confiabilidade propõe-se que, fisicamente, as conexões dos dois barramentos de rede sejam implementadas por diferentes caminhos dentro da subestação. Ainda com relação ao aspecto de confiabilidade do barramento de processo uma última observação a ser feita é com relação ao tratamento que será aplicado quando, por alguma razão, mesmo com a redundância do barramento, ocorrer perda de alguma mensagem. Nesta situação o IED configurado como receptor desta mensagem terá em seu buffer interno de amostras uma lacuna sem o valor desta amostra. A forma como será tratado este problema ainda não foi contemplado pela norma. 4. SINCRONISMO DE TEMPO ATRAVÉS DO BARRAMENTO DE REDE O processo de sincronismo de tempo refere-se a forma com a qual os IEDs que compõem um SAS irão realizar o sincronismo de seus relógios internos. Na maior parte das subestações atuais este processo vem sendo realizado através de um dispositivo, que utiliza um receptor de sinal GPS via satélite como referência de base de tempo, e disponibiliza um barramento de rede específico para sincronismo segundo um padrão de mercado (IRIG-B, 1pps, etc) conectado a uma entrada do IED também especifica para esta função. Em sua primeira versão a Norma IEC61850 propôs a possibilidade de se executar o processo de sincronismo através do próprio barramento de rede utilizando o protocolo SNTP. Após a sua edição verificou-se que a precisão de tempo oferecida pelo protocolo SNTP (da ordem de alguns mili segundos) não atendia a todas as aplicações do SAS que necessitam de sincronismo de tempo. Como principais exemplos pode-se destacar os registros de oscilografia e a transmissão de valores amostrados no barramento de processo através da IEC Os registros de oscilografia são muito utilizados para análise de falhas. Em algumas situações é necessária a análise comparativa de registros de oscilografia de diversos pontos de um sistema de potência, portanto, tais registros necessitam ser sincronizados numa mesma base de tempo com extrema precisão. No caso da transmissão de valores amostrados, de que trata este artigo, cada amostra precisa ser acompanhada de um timestamp que registre o momento exato em que foi realizada para que possa ser comparada com precisão em relação às amostras obtidas de diferentes pontos do sistema de potência. Por exemplo, numa situação onde se tenha TCs instalados em ambos os enrolamentos de um transformador de potência para a função de proteção diferencial, caso as amostras do TC conectado ao primário apresentem um atraso de tempo em seu timestamp da ordem de alguns mili segundos em relação ao TC conectado ao secundário a proteção poderá atuar indevidamente. Para a solução deste impasse foi proposto inicialmente pela IEC LE o sincronismo individual de cada Merging Unit através de uma rede que opere com o formato 1pps. Portanto, todos os dispositivos agora seriam sincronizados com precisão na ordem de micro segundos, mas ainda seria necessária a instalação de uma rede específica para esta finalidade. Recentemente está sendo discutida a utilização do protocolo PTP, descrito pela Norma IEEE1588v2 e posteriormente adotado pela IEC61588, cuja última revisão foi lançada em Sua proposta é atingir a precisão da ordem de nano segundos através da rede Ethernet. Para tanto foi necessária a inclusão de um hardware específico para a compensação de atrasos e o estabelecimento de hierarquias entre os dispositivos definindo, por exemplo, quais terão a função de referência de clock e quais terão a função de replicar esta referência. Este solução vem conquistando a confiança de pesquisadores e fabricantes e deve ser adotada na próxima edição da Norma IEC61850 como padrão para o sincronismo de tempo. A Figura 8 ilustra a arquitetura utilizada para esta configuração. 6 / 8

7 Figura 8: Arquitetura utilizando o padrão IEEE1588v2 5. PRECISÃO DA MEDIÇÃO DISPONIBILIZADA NO BARRAMENTO DE PROCESSO A precisão da medição refere-se à análise dos dados disponibilizados no barramento de processo, com especial atenção as principais normas utilizadas como referência. Historicamente, as principais normas internacionais utilizadas como padrão para a especificação de TCs e TPs disponíveis no mercado são referenciadas às normas da família IEC Esta norma, cuja última versão foi editada em 2002, chegou a propor algumas diretivas iniciais a serem aplicadas na definição de uma interface digital de transformadores de instrumentação que substituiria as interfaces analógicas presentes até então. Atualmente esta em processo de conclusão a elaboração da família de normas IEC61869, que irá abranger as mais recentes tecnologias desenvolvidas até o momento, inclusive a IEC61850, e que deverá substituir a família de normas IEC Nesta nova família de normas deverão ser abordados alguns aspectos relativos a medição disponibilizada no barramento de processo pelos transformadores de instrumentação, principalmente em relação aos modelos que utilizam tecnologias não convencionais de medição e que possuam interfaces eletrônicas. Exemplos de alguns aspectos que ainda não foram apresentados anteriormente são uma maior normatização do comportamento dos transformadores frente a harmônicas, maior detalhamento com relação as taxas de amostragens para medição e proteção, e também do atraso máximo permitido entre a medição realizada no primário do transformador de instrumentação e a entrega da informação no barramento de processo. No mercado existem diversos dispositivos que utilizam o sinal vindo de TCs e TPs convencionais para a medição do conteúdo harmônico, respectivamente, da corrente ou da tensão presente no primário destes sensores. Embora alguns estudos apontem para aplicações de harmônicas acima de 5 a ordem ainda não foram especificadas metodologias para se avaliar e classificar a precisão da medição realizada pelos transformadores de instrumentação frente a sinais harmônicos, o que pode acarretar em prejuízos na precisão do sinal presente na saída do transformador e, por conseqüência, em erros na interpretação por parte do dispositivo que utiliza o resultado desta medição. Adicionalmente, os sinais presentes na saída destes sensores passarão a ser digitalizados e amostrados segundo a IEC , processo este que adiciona erros de quantificação do valor em termos de amplitude e de instante de amostragem, e onde também não foram especificadas metodologias para a avaliação destes erros. Os transformadores de instrumentação convencionais, que não utilizam tecnologia eletrônica acoplada para realizar o processo de medição, possuem atraso de tempo entre o sinal presente na entrada e o 7 / 8

8 sinal presente em sua saída praticamente decorrente de características elétricas de defasagem dos componentes elétricos que o compõem, como capacitores e indutores. Em contrapartida, os transformadores de instrumentação não convencionais utilizam tecnologia eletrônica, como sample and holders, conversores analógico-digitais e microprocessadores, o que acaba por adicionar um atraso entre o sinal presente no primário e no secundário destes sensores resultado do processamento digital do sinal. Dependendo da tecnologia adotada e da precisão exigida este atraso pode chegar na ordem de alguns mili segundos e, se não for considerado, acabar por prejudicar o desempenho de dispositivos de proteção. A metodologia para avaliação deste atraso ainda não foi especificada. 6. CONCLUSÃO A Norma IEC está caminhando para se tornar o padrão adotado nos barramentos de processo dos SASs. No lançamento de sua primeira edição alguns quesitos importantes não haviam sido claramente definidos, o que acabou por gerar muitas dúvidas. Um primeiro esforço no sentido de definir alguns destes quesitos, e auxiliar na implementação da norma, foi feito com a elaboração da IEC LE. Posteriormente a sua edição novas tecnologias foram desenvolvidas, resultado do esforço conjunto dos principais fábricantes e pesquisadores da área e da contribuição de outras áreas que também enfrentavam as mesmas dificuldades encontradas na implementação do barramento de processos das subestações. Como resultado, novas normas foram elaboradas para definição destas recentes tecnologias e, sabiamente, estão sendo utilizadas como referência pela IEC , com especial destaque para as normas IEC62439, IEEE1588v2, IEC61588 e IEC A leitura e a compreensão destas normas é de suma importância para o sucesso na implementação do barramento de processo proposto pela IEC BIBLIOGRAFIA [1] IEC61850 Standard [2] UCA International Users Group Implementation Guideline For Digital Interface To Instrument Transformers Using IEC [3] IGARASHI, G. Estudo Para a Implementação de Funções de Proteção Utilizando a IEC61850: Análise de Desempenho e de Comportamento Frente a Problemas de Comunicação IX STPC [4] IEC62439 Standard [5] WEIBEL, H. Tutorial on Parallel Redundancy Protocol (PRP) Institute of Embedded Systems (InES) Zurich University of Applied Sciences [6] IEEE1588v2 Standard [7] McGHEE, J.; GORAJ, M. Smart High Voltage Substation Based on IEC61850 Process Bus and IEEE1588 Time Syncronization 2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm) [8] IEC60044 Standard [9] IEC61869 Standard 8 / 8