Não há redes isoladas Tecnologias de comunicações para redes inteligentes MATHIAS KRANICH As redes inteligentes recolhem informação da qual derivam conclusões. Contudo, para uma reacção adequada a mudanças no ambiente de geração e transporte, os sistemas e as pessoas por detrás deles necessitam de uma visão completa das condições da rede. Coligir tal informação requer comunicações robustas, pois o desconhecimento do que se passa dificulta o processo de decisão. Com mais de meio século de experiência na integração de sistemas de comunicações, a ABB tem a capacidade para resolver os desafios técnicos que permitem tornar a rede inteligente uma realidade, incluindo toda um conjunto de soluções diversas para a implementação da rede de comunicações física tais como os multiplexadores de fibra óptica FOX, os comutadores Ethernet AFS, o sistema de comunicações sobre rede eléctrica (PLC, Powerline Communications) ETL a as redes sem fios em malha IEEE 802.11 Tropos. 84 ABB review 4 14
Comunicações com criticidade para missão dependem mais da Qualidade de Serviço da rede, como por exemplo a latência, do que da sua largura de banda. A escala geográfica das redes de transporte e distribuição apresenta um desafio único à fiabilidade das comunicações. A dimensão da maioria das redes é só por si um desafio, mas a configuração topológica pode ainda dificultar a implementação de anéis redundantes ou de ligações em malha. Contudo, uma conectividade com segurança intrínseca é essencial em tais infraestruturas críticas -1. Foto de rosto São necessários investimentos de longo prazo para dar às redes eléctricas a inteligência de que necessitam. Com uma vasta experiência, a ABB tem a capacidade para resolver os desafios técnicos de tornar a rede inteligente uma realidade, utilizando produtos que asseguram que a informação operacional é partilhada por toda a rede. O termo comunicações críticas evoca imediatamente imagens de técnicos em luta em salas de controlo para reencaminharem a energia na iminência de um desastre de grandes proporções. Na realidade, a maioria das comunicações é bem mais tranquila mas não menos crítica. As mensagens realmente importantes, das quais depende a segurança da rede, são geralmente enviadas, recebida e processadas em menos de um abrir e fechar de olhos. Tais comunicações dependem mais da Qualidade de Serviço da rede, como por exemplo a latên- cia, do que da sua largura de banda. As mensagens com criticidade para missão são curtas mas têm de ser entregues dentro de um quadro temporal previsível. Presentemente, muitas redes eléctricas Uma subestação inteligente pode facilmente gerar dezenas de megabytes de dados por segundo, e o processamento destes dados exige uma cuidadosa consideração. operando aos níveis mais elevados de tensão estão já repletas de conexões em fibra que são mapeadas em anéis redun- Não há redes isoladas 85
1 Communication requirements evolve with smart grids Smart grid application layer Renewable energy sources Improved high-voltage transmission infrastructure Supervision and automation of substation and distribution systems Automatic meter reading electric vehicles home automation New needs here... Communication layer LAN Local area (Ethernet) WAN Wide area (eg, fiber optic, powerline communication) FAN/WAN Field area (eg, Wi-Fi meshed) HAN/WAN/AMI Home area (eg, Zigbee)... create more communication requirements Power layer Generation Transmission Distribution Home Utility Infrastructure Consumers dantes, e os multiplexadores FOX da ABB conseguem assegurar que as mensagens são entregues a tempo, eventualmente com utilização nas linhas importantes de alta tensão de ligações de reserva adicionais suportadas em tecnologia de comunicação através da rede eléctrica (PLC, Powerline Communications) -2. Mas nas regiões mais remotas do mundo são largamente utilizadas as redes suportadas puramente em tecnologia PLC. Em muitos locais a utilização desta tecnologia ou, em casos especiais, de microondas, é mais económica do que a criação de uma derivação em fibra óptica a partir do anel. Para permitir a ligação de tais estações remotas à rede inteligente, a gama Electrical Transmission Line (ETL) de equipamento PLC da ABB pode suportar ritmos binários até 320 kbit/s, ao passo que as soluções de microondas podem fornecer taxas de transmissão mais elevadas, p.ex. até 622 Mbit/s, embora para isso necessitando de condições de linha de vista -3. Mas se tais capacidades não são necessárias para as mensagens de emergência, o que é que está a ocupar a capacidade instalada? Igualmente importantes para a viabilidade a longo prazo das redes eléctricas são as mensagens que reportam a situação operacional dos transformadores, as temperaturas dos disjuntores, a viscosidade do óleo de refrigeração, bem como muitos outros factores ambientais que afectam a rede. Estes dados necessitam de serem agrega- Visto uma rede de comunicações com falhas poder ter implicações sérias, a protecção da rede torna-se tão importante como a protecção dos serviços disponibilizados. dos e analisados por software que possa identificar tendências em formação e a ocorrência de eventos fortemente correlacionados, revelando o impacto de novas máquinas ou de carga excessiva. Esta análise permite ao centro de operações detectar problemas em desenvolvimento, accionar trabalhos de reparação antes da ocorrência de falhas e, em geral, manter sob observação o estado da rede. Uma subestação inteligente pode facilmente gerar dezenas de megabytes de dados por segundo e o processamento destes dados exige uma cuidadosa consideração. É claro que a rede de área alargada não tem de transportar todos eles, pois o elevado volume de dados coligidos a partir da fibra interna à subestação pelas Ethernets de alto débito (geridas pelos comutadores AFS da ABB para conformidade com a norma IEC 61850) é introduzido nos dispositivos electrónicos inteligentes (IED) e unidades de terminais remotos (RTU) da subestação, os quais por sua vez removem informação redundante e repetitiva. Mas quando se interliga uma meia dezena de subestações, a carga na rede e o potencial de falhas começam a aumentar. O tráfego de manutenção e administração é uma parte essencial da rede inteligente, mas pode também colocar uma carga considerável na infraestrutura de comunicações. Se a comunicação for utilizada apenas durante emergências ou para instruções às equipas de campo através do canal de serviço, então a largura de banda requerida é diminuta. A implantação de uma intranet nas subestações e a interconexão das redes de área local (LAN) de delegações por meio de redes operacionais podem fazer facilmente aumentar os requisitos de largura de banda para as dezenas de megabits por segundo. Comunicações o potenciador da rede inteligente Uma rede de comunicações com falhas pode ter implicações sérias além da redução óbvia da visibilidade da rede. A autonomia da rede inteligente depende 86 ABB review 4 14
2 ABB s FOX multiplexers ensure messages are delivered on time da sua capacidade de identificar a presença de componentes para trocas de informação, como no caso da protecção remota para disparo directo de disjuntores, que requer que o disjuntor saiba o que foi detectado remotamente antes de decidir qual a linha a interromper para o de dar indicações a um concessionário sobre onde enviar pessoal e sobre que partes da rede ainda se encontram operacionais, assim minimizando as indisponibilidades, reduzindo os custos e ao mesmo tempo aumentando a segurança. Segundo o Power Research Institute (EPRI), a maior parte do investimento para uma rede inteligente é na infraestrutura de comunicações, o qual pode contudo posteriormente conduzir a poupanças substanciais. FOX615 é um multiplexador de serviço que permite uma conexão directa de todas as aplicações específicas das concessionárias ao multiplexador sem a necessidade de conversores externos. isolamento duma avaria. Pode ser mais complicado quando o sistema SCADA, por exemplo, tem de decidir como actuar perante um IED que de repente fica silencioso ou começa a enviar reportes erróneos. Assim, a protecção da rede de comunicações torna-se tão importante como a protecção dos serviços disponibilizados. O Electric Power Research Institute (EPRI) tem conduzido análises detalhadas dos custos de uma rede inteligente.1 Segundo estas análises, a maior parte do investimento para uma rede inteligente é na infraestrutura de comunicações, o qual pode contudo posteriormente conduzir a poupanças substanciais. Como exemplo, a concessionária PECO, de Filadélfia, conseguiu evitar 7500 visitas de técnicos somente em 2005 graças às comunicações da rede inteligente que permitiram confirmar a veracidade das indisponibilidades relatadas pelos clientes. Quando a rede eléctrica sofre falhas de grande dimensão, as redes de comunicações têm de continuar operacionais. Com recursos limitados, e também frequentemente com a segurança pública em risco, a rede necessita de ser capaz Notas 1 http://www.epri.com/abstracts/pages/ ProductAbstract.aspx?Product Id=000000000001022519 Não há redes isoladas 87
O ETL600 é capaz de suportar com sucesso comunicações nos ambientes mais difíceis, por exemplo transmitindo a mais de 1000 km sem utilização de repetidores. 3 ABB s ETL Powerline routers can carry up to 320 kb/s while ensuring that remote stations are not cut off from the smart grid. O desafio da rede inteligente Como parte do conceito de rede inteligente, as comunicações deveriam deixar de estar limitadas às operações internas a uma única empresa. Para conseguir uma visão global da rede, um sistema de transporte tem de falar com um sistema de distribuição, os geradores têm de poder ler a procura eléctrica das instalações dos clientes e as redes de comunicações têm de ser integradas sem soluções de continuidade, para que as decisões possam ser baseadas em informação sobre toda a rede e não apenas sobre partes dela. Esta integração vai em sentido contrário à evolução verificada na indústria até ao presente. A fragmentação existente foi criada para estimular a competição, mas para a rede inteligente esta fragmentação apresenta um desafio maior. O objectivo de uma rede inteligente requer a integração de estratégias e equipamentos de comunicações diversos. As concessionárias nacionais e os governos exigem compatibilidade como preparação para as comunicações integradas. Normas como a IEC 61850 asseguram a compatibilidade no interior da concessionária, e a ABB está há décadas intimamente envolvida na elaboração de tais normas. A comunicação entre as concessionárias é igualmente importante, e assim a ABB tem igualmente dado apoio à criação do Inter- Control Center Communications Proto- col (ICCP), também conhecido como IEC 60870-6, para as comunicações entre concessionárias, quer a montante quer a jusante. A ABB já instalou software de gateway que assegura que os seus clientes possam integrar os seus sistemas para benefício da própria rede inteligente. Tecnologias de comunicações para a rede inteligente A ABB tem décadas de experiência na construção de redes de comunicações, desde os sistemas iniciais de telecomando centralizado por injecção de frequências áudio (ripple control) para ligar e desligar remotamente caldeiras de aquecimento de água e candeeiros de iluminação pública, até ao desenvolvimento da tecnologia PLC, das fibras ópticas com excitação por laser e das técnicas de rádio em malha abarcando as cidades inteligentes do futuro. Embora já não se utilize o telecomando centralizado, o mesmo não se passa com a tecnologia PLC, com o ETL600 sendo capaz de suportar com sucesso comunicações nos ambientes mais difíceis, por exemplo transmitindo a mais de 1000 km sem utilização de repetidores. Presentemente, os sistemas PLC são frequentemente instalados como reservas operando em paralelo com linhas de fibra óptica, especialmente em locais cuja geografia torna impraticável um anel redundante de fibra. 88 ABB review 4 14
4 ABB s FOX (in cabinets) support multipurpose with utility-specific solutions. Se numa rede existir fibra disponível, então são instaladas redes ópticas. A tecnologia SDH, de comutação de circuitos, fornece elevada Qualidade de Serviço e é principalmente utilizada em sistemas de transporte [1]. Contudo, os sistemas de distribuição de baixa tensão não exigem tipicamente um nível de Qualidade de Serviço tão elevado e podem operar sobre redes Ethernet, de comutação de pacotes. Considerando o ambiente adverso e as aplicações específicas das concessionárias, estas soluções requerem uma concepção de produto muito especial, por exemplo, sem ventiladores e com gama alargada de temperaturas de funcionamento. As famílias de equipamento de comunicações FOX e AFS da ABB possuem as características requeridas pelas concessionárias quer para SDH quer para Ethernet -4. Frequentemente não existe suporte cablado disponível, o que leva à utilização de soluções sem fios. A ABB Review 1/2013 contém uma panorâmica dos princípios fundamentais [2]. A melhor forma de enfrentar os desafios impostos pela rede inteligente pode ser a tecnologia normalizada WiFi 802.11, a qual fornece largura de banda suficiente para combinar aplicações diversas e permitir As entidades governamentais e o público em geral estão cientes das claras vantagens das redes inteligentes, sendo última análise necessários vontade política e investimentos de longo prazo para trazer para as redes eléctricas a inteligência de que necessitam. suportar a coexistência de operadores diferentes numa mesma rede. A linha de produtos Tropos 802.11 da ABB possibilita sistemas em malha 802.11 de classe industrial altamente fiáveis que ao mesmo tempo suportam várias aplicações sobre uma rede unificada. Até o protocolo GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events) da norma IEC 61850 pode ser implementado para aplicações de baixa tensão por meio desta solução de comunicações. A ABB Review 4/2013 contém detalhes adicionais sobre a elevada disponibilidade assegurada por este protocolo [3]. As entidades governamentais e o público em geral estão cientes das claras vantagens das redes inteligentes mas algumas concessionárias têm demorado em adoptá-las, em particular quando tomados em consideração o preço decrescente da energia e o facto de poderem ter de colaborar estreitamente com empresas até aí consideradas competidoras, fornecedoras ou clientes. Estes problemas podem ser abordados a partir de normas internacionais, tais como a IEC 68150, com plataformas multiserviços tais como FOX ou Tropos da ABB, as quais suportam redes multiuso com soluções específicas das concessionárias tais como os sistemas PLC ETL ou os comutadores Ethernet AFS. Estas soluções podem desbravar caminho, mas pode também ser difícil para as concessionárias desenvolverem justificações económicas para uma mudança. Em última análise, são necessários vontade política e investimentos de longo prazo para trazer para as redes eléctricas a inteligência de que necessitam. Mathias Kranich ABB Power Systems Baden, Suíça mathias.kranich@ch.abb.com Referências [1] M. Kranich, et al., Making the switch: ABB s new multiservice multiplexer, FOX615, meets the new challenges faced by operational communication, ABB Review 1/2013, pp. 36 41. [2] P. Bill, et al., Fine mesh: Mesh 802.11 wireless network connectivity, ABB Review 1/2013, pp. 42 44. [3] P. Bill, et al., Robust radio: Meshed Wi-Fi wireless communication for industry, ABB Review 4/2013, pp. 74 78. Não há redes isoladas 89