SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Transcrição

1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GPC a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO V GRUPO DE ESTUDO DE PROTEÇÃO, MEDIÇÃO DE CONTROLE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA GPC UMA APLICAÇÃO PRÁTICA EM SUBESTAÇÕES DE TRANSMISSÃO, UTILIZANDO IEDS INTEGRADOS DIRETAMENTE NO SAGE BASEADO NOS CONCEITOS E ESTRUTURAS DA NORMA IEC61850 Mauricio Pereira * Nivaldo Lambert Gonzalo Humeres Flores Luis Fabiano ABB CEPEL ELETROSUL ABB RESUMO Este artigo aborda a experiência prática na implementação de um projeto utilizando Inteligent Eletronic Devices (IEDs) conectados diretamente ao software supervisório SAGE (Sistema Amberto de Gerenciamento de Energia) do CEPEL, utilizando os conceitos da norma IEC É apresentada uma visão prática desde a concepção inicial do projeto, tendo seqüência no seu desenvolvimento, fluxo de informações e definições, até o detalhamento de soluções encontradas para as diferentes aplicações e requisitos impostos. São abordadas as facilidades e dificuldades vivenciadas durante a elaboração do projeto, soluções para automatismos e garantia de desempenho do sistema. Em alguns pontos específicos, onde não há definição na norma IEC61850, são demonstradas as soluções encontradas em conjunto. PALAVRAS-CHAVE Automação de Subestações, IEC61850, SAGE INTRODUÇÃO O advento da norma IEC61850 em projetos de automação de subestações trouxe inúmeras oportunidades que possibilitam diferentes soluções para conhecidos problemas. Particularmente, a abordagem da norma traz aspectos não somente de protocolo e redes de comunicação, mas também uma completa estruturação relacionada aos requisitos de automação de subestações. No entanto, estas oportunidades trazem como conseqüência diversos desafios e a necessidade da quebra de paradigmas de alguns conceitos usuais em sistemas de automação de subestações. A introdução da norma IEC61850 ainda passa por um processo de experimentação e de entendimento de vários de seus conceitos, principalmente aqueles que alteram os procedimentos tradicionais de engenharia. Desta forma, a norma aborda novas possibilidades de integração, sendo mais fortes as que permitem se integrarem mais facilmente sistemas e IEDs de proteção e controle de diferentes fornecedores. Mas exige, por outro lado, uma diferenciação na forma de configuração, que pode afetar substancialmente os procedimentos de trabalho das equipes envolvidas com o projeto e a implantação dos sistemas de automação de subestações. (*) Tel: (+55 11) MAURICIO.PEREIRA@BR.ABB.COM

2 2 Neste contexto, este trabalho procura descrever algumas das características e desafios encontrados em um projeto real desenvolvido no Brasil para a concessionária ELETROSUL, tendo em vista principalmente os aspectos relacionados à integração direta dos IEDs em um sistema supervisório e as lógicas de controle e intertravamento também realizadas via comunicação, ou seja, através das mensagens GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event ). Assim, a origem das informações descritas neste documento foi uma experiência conjunta entre ABB, CEPEL e ELETROSUL, realizada no período de Outubro de 2006 e Março de 2007, em um projeto onde foram utilizados IEDs de proteção e de controle ABB conectados diretamente em um gateway-sage utilizando, o máximo possível, os conceitos definidos da norma IEC No projeto em questão, foi utilizado muito mais do que apenas o protocolo de comunicação definido na norma, foram adotadas também as estruturações de projeto / configuração de dados e definições de testes, obtendo-se assim um maior proveito dos novos paradigmas introduzidos pela IEC ARQUITETURA DO SISTEMA Para melhor entendimento das informações deste artigo faz-se necessária uma descrição básica da arquitetura utilizada. O projeto que possibilitou a experiência prática na utilização dos conceitos da norma IEC61850 foi composto por 3 subestações. A arquitetura utilizada nas subestações está representada na Figura 1, em destaque as partes focadas neste artigo, conforme se segue: a. IEDs de proteção e controle (1) b. Switches LAN (2) c. Gateway de comunicação SAGEBOX (3) d. IHM-Local SAGE (4) e. SE Controladora (CTL) f. Centro da Operação da Transmissão da ELETROSUL (COT) g. COSR-S do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) Figura 1: Arquitetura do Sistema No que concerne à quantificação de equipamentos e informações, pode ser citada como exemplo a SE de Atlantida, que utilizou 60 IEDs (14 com redundância e 32 sem redundância) para proteção, aquisição e controle mapeados em objetos dinâmicos de informação, extraídos de um elenco de objetos disponíveis nos IEDs, dos quais cerca de 3.300, em média, foram distribuídos para os centros de hierarquia superior.

3 FERRAMENTAS DE IMPORTAÇÃO E EXPORTAÇÃO E AUTOMAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO Em função do porte do projeto, observou-se durante o seu desenvolvimento que, além da integração entre os equipamentos, as definições da norma IEC61850 contribuíram significativamente também para a melhor integração entre as equipes envolvidas. Para entender isso, é necessário conhecer algumas divisões de responsabilidades, particulares do mesmo. A ABB foi responsável pelo fornecimento e configuração dos IEDs de proteção e controle, e da arquitetura de comunicação. A ELETROSUL foi responsável pela configuração dos gateways, da interface local homem-máquina (IHM-Local) SAGE e dos centros remotos também baseados no SAGE (COT e CTL) O CEPEL foi responsável pelo suporte na implementação do SAGEBOX utilizando o IEC61850 e pela homologação da interoperabilidade entre os IEDs e o SAGE. Com esta divisão de reponsabilidades, as definições da norma relativas à Substation Configuration Language (SCL) foram muito importantes para a troca de informações de configuração entre os IEDs e o gateway, já que, além desses IEDs e gateways serem de fornecedores diferentes, as equipes responsáveis pela configuração dos mesmos também eram de empresas diferentes. Desde o início do projeto pôde, então, ser constatado um grande ganho de produtividade nas tarefas relativas ao projeto e configuração das subestações. A definição da SCL revelou-se uma das maiores vantagens proporcionadas pela norma IEC61580, pois tornou possível a criação de ferramentas de geração automatizada de bases de dados em todos os níveis. Como os dados são estruturados pela norma em LogicalNodes, DataObjects e DataAttributes com semântica bem definida, a maioria das informações configuradas nos IEDs foi importada para o gateway sem a necessidade de tabelas de conversão e endereçamentos especiais, que são necessárias quando outros protocolos são utilizados, como o IEC , IEC ou o DNP V3.0. Tabelas informativas se mostraram necessárias apenas para descrever pontos genéricos para os quais a norma designa LogicalNodes de uso geral, como o GGIO (Generic Input/Output). Com a implementação deste projeto, foi percebido que nos IEDs de proteção a utilização de entradas genéricas foi drasticamente minimizada, facilitando assim o entendimento dos dados importados dos IEDs no gateway. A Figura 2, a seguir, mostra um diagrama simplificado com as ferramentas de configuração utilizadas e o relacionamento de importação e exportação existente entre elas: Figura 2: Ferramentas de Configuração Toda a configuração da subestação foi feita no System Configurator ABB-PCM.

4 4 Os sinais de GOOSE enviados e recebidos pelos IEDs foram configurados no IED Communication Configurator ABB-IET, onde também eram importados os arquivos XML-ICD de outros fabricantes, nesse caso, o que descrevia o GOOSE do SAGE. No SAGE foi utilizada a ferramenta denominada SAGE-XML61850 que realizou a conversão do modelo de dados IEC61850 dos IEDs no modelo de dados SCADA do SAGE. A partir dos arquivos XML definidos pela SCL e gerados pelo System Configurator, essa conversão constrói pontos-objetos no modelo da base de dados do SAGE (relativos a pontos digitais, analógicos, discretos e de controle) reagrupando DataAttributes específicos dos functional constraints ST e MX, que são extraídos de DataObjects selecionados em LogicalNodes definidos nos IEDs. Nesse esquema de conversão, os tags identificadores e descritores de alarme dos pontos-objetos são gerados automaticamente utilizando as siglas e textos em inglês transcritos da norma IEC61850, mas que podem ser individualmente sobrescritos (reidentificados e redescritos) explicitamente por uma planilha no formato EXCEL opcional preenchida pelo usuário (XLS61850). Independente disso, o esquema pode ser customizado por um arquivo ASCII definido pelo usuário (desc_61850.txt) que também complementa a conversão com outras informações do modelo da base de dados do SAGE não existentes no modelo IEC61850 presente nos arquivos XML. A Figura 3 a seguir exemplifica a conversão para uma função de proteção de sobrecorrente direcional e temporizada, definida no LogicalDevice E1Q1Ctrl do IED SBa, numa instância (terceira) do LogicalNode PTOC associada ao equipamento DJ55. Figura 3: Mapeamento SCADA do Modelo IEC61850 Como na data da elaboração deste artigo o arquivo desc_61850 ainda não tinha sido completamente customizado, não é possível assegurar que o atual estágio deste esquema de conversão atendeu a todos os requisitos da operação do sistema. Independente disso, a customização será completada, inicialmente por ter se mostrado viável esta estratégia de configuração, que minimizou de forma significativa a necessidade do preenchimento de planilhas específicas para cada instalação de SE, e, principalmente, porque ela também será válida para todas as futuras instalações da ELETROSUL. Outro aspecto a ser revisto derivou do fato da distribuição dos dados do gateway para a IHM-Local e centros remotos ter sido feita pelo protocolo DNP V3.0, gerando, então, a necessidade da criação de tabelas de endereçamentos em EXCEL para definição dos endereços DNP e correlação com os tags do IEC Pretende-se, entretanto, nos próximos projetos, eliminar-se a necessidade dessas tabelas de endereçamentos com a substituição do protocolo DNP V3.0 pelo TASE.2/ICCP. Essa substituição permitirá a adoção dos mesmos tags padronizados no IEC61850, com a sua capacidade de auto-descrição, também nas listas de distribuição para outros sistemas.

5 4.0 - TESTES DE CONFORMIDADE E DESEMPENHO DA INTEGRAÇÃO SAGE - IED 5 Mais uma vantagem aproveitada da norma foi o teste de conformidade e desempenho da integração entre o SAGE e os IEDs sob os protocolos definidos na IEC Antes do início do projeto, foi realizado um teste de conformidade da integração entre os IEDs REx670 da ABB e o SAGE do CEPEL, com roteiros elaborados a partir dos testes descritos no módulo 10 da norma (IEC Conformance Testing) com procedimentos específicos dos equipamentos e sistema envolvidos no teste. Como o teste baseava-se no IEC mas adotava os procedimentos específicos dos elementos testados, foi possível mitigar características dos IEDs e sistemas envolvidos que pudessem prejudicar a performace e funcionalidades do sistema, bem como determinar com a experimentação aquelas que melhoravam esses aspectos. Um exemplo foi a exploração dos recursos de controle de bloqueios feitos diretamente sobre os DataObjects de LogicalNodes designados pela norma para esse fim, evitando, assim, em alguns casos, o uso de lógicas suplementares e, genericamente, o indesejável aumento do uso de objetos em LogicalNodes GGIO. Outro exemplo foi a decisão tomada pelas empresas, durante esse teste, de realizar as funções de redundância de IEDs com mensagens GOOSE, conforme será descrito em 7.0. Essa decisão promoveu, inclusive, o próprio desenvolvimento das funções de transmissão de GOOSE pelo SAGE, que, até então, não dispunha dessa funcionalidade. O teste foi dividido nas seguintes três partes: - Teste da implementação do modelo de serviços - Teste da implementação do modelo de dados - Teste de redundância e performance Dentro destes testes o destaque foi o teste de avalanche e precisão de eventos, parte integrante do teste de redundância e performace. Foram gerados 1848 eventos dentro de um tempo de geração total de 907 milisegundos, sendo que o tempo de escoamento de dados para o SAGE foi de 10 segundos. Para realização desses testes foram necessárias, inicialmente, as trocas de documentações com os detalhes da implementação do IEC61850 nos equipamentos. Estas documentações foram: MICS - Model Implementation Conformance Statement PICS - Protocol Implementation Conformance Statement PIXIT - Protocol Extra Information for Testing TICS - Technical Issues Conformance Statement Estas documentações, também descritas na norma IEC61850, disponibilizam de forma bem prática as informações necessárias para a realização da integração, bem como os dados que poderão ser utilizados entre os diferentes equipamentos. Após os testes concluídos, um certificado de conformidade foi emitido, confirmando-se, assim, a correta integração entre os IEDs e o gateway PROJETO LÓGICO Uma outra vantagem percebida durante o processo prático foi constatada nas tarefas relativas ao projeto lógico. Com a utilização das definições da norma no projeto lógico, foi facilitado o entendimento na aplicação destas lógicas nos IEDs. Como a norma define as entradas e saídas principais das funções, o projetista pode aproveitar isto para o projeto lógico. Por exemplo, o projetista podia definir, para uma função de controle localizada em LogicalNodes do tipo CSWI, uma lógica de intertravamento localizada em LogicalNodes do tipo CILO. A norma define que, na saída da função CILO, existirão dois sinais: Habilitado para Abrir (Open Enable), e Habilitado para Fechar (Close Enable), sendo que estes dois sinais são entradas da função CSWI. Como os IEDs utilizados neste projeto empregaram a norma IEC61850 para definir os nomes das funções de proteção e controle em suas ferramentas de configuração de lógicas, constatou-se que o entendimento ficava muito facilitado quando um projeto lógico com esta nomenclatura era passado para o responsável pela configuração do IED.

6 6 Dentre as adaptações necessárias para utilização mais completa da norma IEC61850, esta mereceu uma atenção destacada, pois exigiu uma dedicação de estudo profundo da norma pelos projetistas. A utilização de ferramentas para documentar lógicas já baseadas na norma IEC61850 mostrou-se, então, ser de vital importância para o perfeito entendimento entre as partes envolvidas TRIP E INTERTRAVAMENTOS UTILIZANDO COMUNICAÇÃO No mesmo nível dos avanços obtidos com a automação da configuração relatada no item 3.0 deste trabalho, um novo paradigma de igual importância introduzido pela IEC61850 é o chamado GOOSE Generic Object Oriented Substation Event. A drástica simplificação da cabeação entre IEDs da sala de controle, IEDs e transdutores no pátio, além do ganho funcional permitindo que IEDs de diferentes fabricantes possam trabalhar em cooperação direta, sem a necessidade de um concentrador que coordene as operações entre esses IEDs, causa grande interesse, receio, curiosidade, e expectativa, entre outras impressões. A função básica e mais importante destas mensagens é a do envio, via protocolo de comunicação, de sinais de trip, intertravamento e resultados de lógicas, difundidas em mensagens multicast através da rede LAN do Station Bus da subestação, como ilustrado na Figura 4 a seguir. Figura 4: Representação GOOSE Logo no início do projeto, foi estudada esta funcionalidade pelas partes envolvidas, e tomou-se a decisão de utilização de GOOSE neste empreendimento. Após os testes realizados na aceitação em fábrica, a solução mostrou-se viável e confiável. Além do uso para trips e intertravamentos entre IEDs, as mensagens GOOSE estão sendo enviadas pelo SAGE para os IEDs de controle, visando a realização da redundância de controle que será descrita a seguir REDUNDÂNCIA DE CONTROLE Um aspecto que não é abordado especificamente pela norma IEC61850, e nem por nenhuma das normas mais utilizadas em projetos de sistemas de automação de subestações (SAS), é o de redundância dos elementos do SAS. Essa falta de definição leva à existência de um amplo espectro de filosofias especiais que são utilizadas em outros SAS no mundo, em especial aquelas adotadas para redundância de controle. No âmbito deste projeto, o emprego de características singulares da IEC61850 foi fundamental para facilitar a implementação das filosofias de controle que foram projetadas. A redundância de controle é proporcionada através de dois IEDs de controle, ambos ativos, configurados com as mesmas funções e controlando os mesmos equipamentos de pátio. Um dos IEDs é chamado de principal, e o outro designado como IED dual. Na operação normal, apenas o IED principal realiza as funções de controle. Em caso de falha ou manutenção do IED principal, o IED dual assume as funcionalidades.

7 7 Para realizar a função de supervisão e controle, o gateway SAGE se comunica usando a comunicação two-party MMS entre o cliente ativo no SAGE e o servidor ativo no IED, mas apenas com um dos IEDs, o principal ou o dual. Para informar com quais IEDs está se comunicando, o SAGE publica uma mensagem da comunicação multicast GOOSE que é coletada pelos IEDs de controle assinantes. Como os comandos são enviados apenas para um IED, uma segunda mensagem GOOSE é usada em cada par de IEDs redundante, sendo publicada pelo IED que recebeu o comando do gateway e subescrita para ser recebida pelo o seu par redundante. Com o uso dessas duas mensagems GOOSE (a publicada pelo SAGE e a publicada pelos IEDs redundantes) é garantida a coerência de informações e coordenação de ações entre os IEDs redundantes ELEMENTOS NORMATIZADOS MAS NÃO UTILIZADOS Ainda se faz necessário um tempo para tomar proveito de alguns aspectos importantes da norma IEC61850, incluindo aí o tempo para a implementação de algumas funções ainda não disponibilizadas pelos fabricantes de IEDs e sistemas, e o próprio tempo para adaptação das pessoas à utilização dessas funções. Alguns exemplos de funcionalidades previstas na norma IEC61850 e que não foram utilizadas no projeto abordado por este artigo são a parametrização da proteção e a descrição da topologia elétrica da subestação e das redes de comunicação no SAS (Station-Bus e Process-Bus). A parametrização da proteção via IEC61850 pode trazer benefícios como a utilização dos recursos definidos na norma relativos aos Setting Groups, que facilitam a sua realização durante a operação do sistema, e também a possibilidade dela ser feita à distância pelos especialistas, geralmente residentes na sede da empresa. Já a existência da descrição das topologias elétrica e das redes nos arquivos XML definidos pela SCL, permitirá a geração automática de diagramas e/ou telas de operação para a IHM dos sistemas. Vale observar ainda que a topologia elétrica descrita na SCL também tem sido objeto de estudos que visam harmonizá-la com a definição equivalente preconizada no modelo CIM definido na norma IEC61970 para os modelos EMS dos sistemas de hierarquia superior CONCLUSÕES Desde a sua publicação, com os primeiros volumes em 2003 e os últimos em 2005, a norma IEC61850 suscitou muitas discussões sobre as suas aplicações e vantagens, com ênfase nos novos paradigmas trazidos pela possibilidade de automatização do processo de configuração e pelo uso dos recursos oferecidos pelo GOOSE. A experiência conjunta ABB, ELETROSUL e CEPEL na implantação do projeto aqui descrito, mostrou-se muito importante para aprofundar nas equipes dessas empresas os conhecimentos práticos resultantes da aplicação da norma e a conseqüente visão crítica sobre os fundamentos teóricos obtidos com o estudo dela. Após a realização do projeto, foi possível constatar a sua abrangência pela melhoria no inter-relacionamento técnico entre as diferentes equipes com variados perfis, como as de projeto lógico, engenharia de campo, desenvolvimento de sistemas e suporte técnico, e outras, já que todas passam a se referenciar a um mesmo modelo lógico, funções designadas por mneumônicos padronizados, objetos, atributos e procedimentos bem definidos, com semântica clara e de fácil entendimento. Mesmo tendo sido exigido um pouco mais de tempo para a adaptação, os resultados foram positivos porque todos passam a ter a mesma referência. Certamente colaborou para os resultados alcançados o fato da norma não ter sido definida apenas por um fabricante ou uma concessionária, e, sim, por um conjunto de representantes de várias entidades, como fabricantes de equipamentos e sistemas, empresas de energia, empresas de engenharia, centro de pesquisas e outros. Em alguns pontos, filosofias de operação foram adaptadas, mas, em outros, a utilização dos recursos da norma atenderam plenamente os requisitos operacionais, como no caso da utilização do GOOSE na redundância de controles, trips e intertravamentos. A consequente simplificação da cabeação entre IEDs da sala de controle, IEDs e transdutores no pátio, e ganho funcional ao permitir que os IEDs, incluindo o de futuros outros fabricantes, possam trabalhar em cooperação direta, constituiu-se como uma das mais significativas contribuições trazidas pela IEC61850 e utilizadas nesse projeto. Considerando que coube à ELETROSUL a responsabilidade de configuração do SAGEBOX (gateway) e das IHMs de três dos quatro centros de controle envolvidos (Local, COT e CTL), e caberá também a ela a manutenção e evolução do sistema, também assumindo eventuais reparametrizações que vierem a ser necessárias nos IEDs, a

8 8 avaliação positiva que a empresa usuária final faz para o uso das ferramentas de geração de bases de dados, disponibilizadas tanto pelos IEDs quanto pelo SAGE, atesta que, tal como o GOOSE, a automação da configuração constituiu-se, também, como uma das mais significativas contribuições trazidas pela IEC Já aspectos como, (1) a eliminação do uso de protocolos que exigem mapeamentos numéricos, como o DNP V3.0 e os IEC/ x, (2) uma atenção maior à definição dos recursos de customização da conversão do modelo IEC61850 no modelo SCADA do SAGE no arquivo desc_61850, (3) a plena utilização da parametrização da proteção via IEC61850, e (4) a adoção da descrição da topologia elétrica nos arquivos da SCL, demostraram que aprimoramentos serão nescessários nos próximos projetos BIBLIOGRAFIA [1] L.Andersson, K.P.Brand, The benefits of the coming standard IEC61850 for communication in substations, Southern African Power System Protection Conference, Johannesburng, November, [2] K.P.Brand, et al, Requirements of interoperable distributed functions and archictetures in IEC61850 based SA systems, Bienal Cigré, Paris, [3] K.P.Brand, V.Lohmann, W.Wimmer, Substation Automation Handbook, ABB Switzerland Ltd. Power Technology Systems, Baden. [4] International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 7-4: Basic communication structure for substation and feeder equipment Compatible logical node classes and data classes, First edition, [5] International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs, First edition, [6] International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 7-1: Basic communication structure for substation and feeder equipment Principles and models, First edition, [7] International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment Abstract communication service interface (ACSI), First edition, [8] International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 10: Conformance Testing, First edition, [9] International Standard IEC , Communication networks and systems in substations Part 7-3: Basic communication structure for substation and feeder equipment Common data classes, First edition,