DISPOSITIVOS ELETRNICOS INTELIGENTES (IEDS) E A NORMA IEC 61850: UNIO QUE EST DANDO CERTO.

Srgio Louredo Maia LACERDA (1); Greyce Hayana Ribeiro CARNEIRO (2)

(1) Instituto Federal de Educao Cincia e Tecnologia da Paraba. Rua Primeiro de maio, N720, Jaguaribe, Joo Pessoa-PB. sergiolouredo@hotmail.com

(2) Instituto Federal de Educao Cincia e Tecnologia da Paraba. Rua Primeiro de maio, N720, Jaguaribe, Joo Pessoa-PB. hayana_jp@hotmail.com

RESUMO Este artigo aborda a norma IEC 61850 em sua funcionalidade, fazendo uma ligao entre a mesma e os IEDs (Intelligent Eletronic Devices), uma vez que o avano tecnolgico integra equipamentos e funes. Esses rels que outrora foram muito utilizados quando ainda eletromecnicos, hoje possibilitam uma extensa gama de aplicaes devido era digital. Apesar de estarem disponveis no mercado h mais de dez anos, somente agora a sua aplicao em grande escala vem sendo difundida. Atribui-se tal difuso ao estabelecimento da norma IEC 61850, que prev o uso de inmeras aplicaes, como o uso de redes locais de computadores nos sistemas eltricos de proteo; e capacidade de trfego da rede, que cresce cada vez mais devido ao avano da tecnologia, agilizando os processos e reduzindo tempo, problemas e falhas devido conexo com cabos rgidos de cobre. A unificao dos protocolos e de um vocabulrio comum direciona os sistemas de proteo e controle para um novo tempo da eletricidade, possibilitando aos IEDs uma interoperabilidade e at mesmo intercambialidade entre eles. Pesquisas e estudos tericos embasaram todo o contedo deste trabalho, possibilitando uma viso mais ampla do assunto. Palavras-chave: IEC 61850, GOOSE, Intelligent Eletronic Device, Logical Node, interoperabilidade

1 INTRODUO O mercado consumidor mundial apresenta-se sempre vido por inovao, por isso, a tecnologia (telecomunicaes, eletrnica, informtica, etc.) precisa evoluir constantemente, buscando sempre abordagens criativas que permitam uma melhor utilizao de recursos j implantados. Dentro da eletrnica percebeu-se, na ltima dcada, um crescimento exponencial no consumo de dispositivos de proteo para sistemas eltricos, como os disjuntores, rels, chaves, dentre outros (PAULINO, 2008). Os rels digitais modernos, mais conhecidos como Dispositivos Eletrnicos Inteligentes (IEDs - Intelligent Eletronic Devices), tem sido cada vez mais utilizados nas subestaes eltricas medida que agregam mais recursos. O uso dos IEDs permite uma reduo no custo de implantao, bem como de manuteno; e no nmero de cabos e equipamentos necessrios sua utilizao, possibilitando troca de informaes mais rpidas, simplificao do projeto, maior confiabilidade, alm de permitir a sincronizao temporal dos dispositivos (PEREIRA, 2007). Mesmo apresentando tantas vantagens e estando h bastante tempo no mercado, somente agora cresce a aplicao desses rels de proteo, e acredita-se que essa demora no crescimento deu-se devido espera pela normatizao do uso de tais dispositivos. A norma IEC 61850 veio suprir essa necessidade, trazendo a livre alocao de funes, e possibilitando expanso e integrao das mesmas. A figura 1 demonstra a evoluo tecnolgica dos IEDs.

Figura 1 - Evoluo das tecnologias na fabricao de IEDs (PAULINO, 2008). Um problema encontrado antes da normatizao era a individualizao dos protocolos de comunicao, o que impossibilitava a utilizao direta de dispositivos de diferentes fabricantes em uma nica rede. A necessidade de traduo de diferentes protocolos acarreta gastos desnecessrios e atraso na comunicao, ambas caractersticas indesejadas. Os rels digitais mais antigos de uma subestao, por exemplo, necessitam do mdulo de interface de rede para que ocorra comunicao entre o protocolo e a interface fsica, sem esse dispositivo no haver conexo com a rede local (LAN) dessa subestao (SE).

2 FUNDAMENTAO TERICA 2.1 DISPOSITIVOS ELETRNICOS INTELIGENTES IEDs Um crescente desafio para os profissionais da engenharia eltrica que atuam na rea de proteo de sistemas ampliar e atualizar seus conhecimentos para adequar-se ao uso das novas tecnologias. Por exemplo, um rel, esse dispositivo que foi criado para atuar de forma eletromecnica, hoje em dia um dispositivo eltrico com comando digital. Um rel no pode mais ser tratado como uma simples chave eletromecnica, deve ser tratado como um IED. A norma IEC 61850 apresenta uma gama maior de funes e possibilidades para esses IEDs, a citar a redundncia de informaes para prover uma proteo ainda melhor para os equipamentos. Para as empresas e concessionrias que utilizam os servios eltricos e eletrnicos no diferente, tais empresas precisam de uma estrutura de proteo confivel, eficiente e seletiva. A busca comum motiva tais empresas a unir esforos para encontrar uma soluo nica. Os dispositivos inteligentes possuem interfaces para o processo e para a interface homem-mquina - sendo simples sua compreenso e atuao. Tais dispositivos tem como principal caracterstica, garantida pela norma, a interoperabilidade habilidade desses dispositivos, independentemente do fabricante, de trocarem informaes irrestritas entre si e as utilizarem para suas prprias funes (como bloqueio, trip comando de abertura , lgicas ou religamentos). Os IEDs so unidades multifuncionais para a proteo, controle, automao, medio e monitoramento dos sistemas eltricos, permitindo a concepo de lgicas de intertravamento e bloqueio, ou seja, funcionalidades em uma nica caixa ou funcionalidades em dispositivos diferentes. Cada IED traz a possibilidade de expanso do sistema de proteo, essa proteo ampliada ainda mais com na norma IEC 61850. A norma tem sua plataforma baseada em protocolos abertos, sendo prova de futuro, permitindo, assim, garantir que os investimentos no sejam em vo e acompanhem o avano da tecnologia (SANTOS et al, 2008). Na Figura 2 apresentado um diagrama em blocos que mostra a integrao das funes de controle e

proteo.

Figura 2 - Integrao das funes de controle e proteo em um mesmo IED (SANTOS et al., 2008).

Diversas empresas surgiram para suprir a demanda do mercado global de IEDs, e isso levou a um aumento na competio entre tais empresas que, para se destacarem no mercado, tem investido na melhoria de seus produtos, aumento no desempenho dos mesmos, reduo em seu custo de produo e desenvolvimento de produtos com funes exclusivas. Essa competio vantajosa para usurios e concessionrias. O fato que permitiu a criao desse cenrio competitivo foi a normatizao do sistema, mas apesar disso a norma ainda no tem aceitao plena. Muitos operrios de distribuidoras de energia ainda no sabem operar ou supervisionar alguns desses novos dispositivos. Encarregados e engenheiros no tm conhecimento nem treinamento suficiente. Essa falta de mo de obra qualificada tem levado hesitao de algumas distribuidoras em aderirem aos parmetros da norma IEC 61850. Apesar dos fatos acima citados, dezenas de distribuidoras j aderiram norma e conseguiram avanos e melhorias em seus servios, tais como: reduo de custos, reduo de acidentes, manutenes mais simplificadas (evitando a perda de equipamentos), etc. (PAULINO, 2007). Tais fatos resultaram do investimento em qualificao profissional e em pesquisa e desenvolvimento.

2.2 REDES DE COMUNICAO Um sistema eltrico de subestaes ou usinas equipado com IEDs e funcionando segundo as especificaes da norma IEC 61850, realiza sua comunicao por meio uma rede local (LAN Local Area Network). Uma vantagem na utilizao dessa inovao a drstica reduo na quantidade de fios de cobre, uma vez que se possibilita o uso da rede ethernet para a troca de informaes por cabos pticos. A norma baseada no modelo OSI, podendo, ento, ser dividida em camadas para obter um melhor desempenho, representando, assim, no um novo protocolo de comunicaes, mas uma nova fase tecnolgica na rea de proteo e controle (PEREIRA, 2007).

Figura 3 - Diagrama esquemtico de um Dispositivo Eletrnico Inteligente (SANTOS, 2007). Um sistema no qual so utilizados dispositivos com diferentes protocolos de comunicao necessita de gateways para fazer com que esses dispositivos se comuniquem. O uso desses gateways insere atrasos (da ordem de milissegundos) na troca de informao desses dispositivos. Dessa forma, dispositivos que no estiverem dentro das especificaes da norma iro apresentar um tempo de retardo maior. Alm de se comunicarem sem a necessidade de gateways, os dispositivos normatizados, que operarem em uma LAN, podero atuar de forma independente uns dos outros. A escolha dos componentes (switches, roteadores, pontes, cabos de comunicao) da rede deve priorizar o uso de equipamentos com baixo MTBF (Tempo Mdio Entre Falhas) para ambientes com elevados nveis de interferncia eletromagntica. Esses dispositivos devem ainda ser aptos a operar com os sinais de alta velocidade, normalmente fast ethernet, previstos pela IEC 61850. Um outro ponto a se desejar de uma rede em relao aos switches a possibilidade de trabalhar com topologia em anel, com tempo mnimo de recomposio para o caso de alguma das rotas vier a falhar. Logo, uma subestao automatizada e em rede funcionando com o IEC 61850 tem facilidade de implementao do sistema SCADA, facilidade de entendimento de protocolo, interoperabilidade, facilidade na validao de dados, intercambiamento de equipamentos e dispositivos e facilidade na manuteno e comunicao.

Em uma rede que funcione com o padro IEC 61850 a atual interface de comunicao apresentada atravs de portas de comunicao em Ethernet TCP/IP, permitindo que os IEDs possam usufruir de todos os benefcios que essa tecnologia oferece. Nesse caso, cada IED ou porta de comunicao apresenta um endereo IP que permite a troca de informaes em um ambiente de rede Ethernet. A arquitetura TCP/IP divide as funes do sistema de comunicao em camadas, a exemplo da arquitetura OSI. Assim sendo, um dispositivo fsico pode ser visto como Servidor em um ambiente TCP/IP, apresentando uma interface de comunicao. Interface esta que apresenta um endereo IP que pode ser acessada atravs de uma rede por um Cliente externo. Com esse novo modelo de dados utilizando a rede, o IEC 61850 separa as aplicaes em trs nveis hierrquicos nvel estao, com a atribuio de mapear as camadas de comunicao (TCP/IP), gerenciar as mensagens GOOSE/GSSE (link) e sincronizao de tempo; nvel vo, encarregado pela aplicao das funes do sistema e; nvel processo, que vem com os valores analgicos de tenso e corrente amostrados analogicamente atravs de trens de pulsos trafegando na rede, mensagens GOOSE/GSSE e tambm realizando sincronizao de tempo. Porm, essa separao d-se unicamente entre os nveis hierrquicos. Os dados trafegaro entre os nveis atravs de um link fsico. Na figura 4 esto representados os nveis hierrquicos: estao, vo e processo.

Figura 4 - Representao dos barramentos de estao e processo na subestao (PAULINO, 2008). Alguns testes de seletividade foram realizados para se fazer um comparativo entre a fiao rgida de cobre comum e cabos de dados (ou cabos pticos), e percebeu-se que foi possvel obter um tempo de seletividade menor que o mtodo convencional utilizando a tecnologia oferecida pela norma IEC 61850, atravs de mensagens GOOSE, pois o IED mostrou-se mais sensvel a esta tecnologia do que aos contatos fsicos com os fios rgidos. Essa minimizao no tempo de seletividade traz benefcios aos sistemas eltricos, diminuindo o tempo que uma falha permanece no sistema e, assim, causando menos danos aos equipamentos, fazendo com que estes tenham uma maior disponibilidade no sistema e prolonguem sua vida til. A figura 5 ilustra um comparativo entre fiao de cobre e cabo de dados.

Figura 5: Comunicao: fiao rgida de cobre x rede de comunicao via cabo de dados (PAULINO, 2007). Para atingir em totalidade as aplicaes do novo padro, utiliza-se uma abordagem orientada a objetos e subdivide-se as funes em objetos denominados ns lgicos (LN Logical Nodes), conforme observa-se na

figura 6. Por isso, todas as funes na subestao foram divididas em objetos menores, cada um possuindo todas as informaes necessrias a serem transmitidas.

Figura 6: N lgico (LN) com os elementos de comunicao (PAULINO, 2007)

2.3 NS LGICOS (LN) Esses LNs, quando agrupados, formam os dispositivos lgicos (LD Logical Devices) que, por sua vez, compem os dispositivos fsicos (PD Phisical Devices). O n lgico uma subfuno, que se divide em novas subfunes. Os dispositivos lgicos so funes agrupadas compondo o IED. Os dados so compartilhados entre os LNs obedecendo regras, valendo o mesmo para os LDs. Esse ns so alocados convenientemente, de acordo com a possibilidade permitida pela tecnologia (Fig. 7). Sendo uma funo de proteo bsica do SAS, projetada e implementada pelo seu fabricante, porm, com alguma ressalvas, pois a norma padroniza os dados de entrada e sada dessa funo. Designam-se dados e atributos a cada LN.

Figura 7: Hierarquia do modelo de dados (PAULINO, 2008) O rompimento de equipamentos/dispositivos em objetos lgicos resulta na produo de modelos que necessitam de identificao de todas as suas funes e atributos. Cada atributo deve ter um nome e uma classe simples ou complexa representando dados nos dispositivos que podem ser lidos ou atualizados. Graas a esse modelo orientado a objetos permite-se a padronizao de nomes para IEDs padronizados, independendo do fabricante.

2.4 MENSAGENS GOOSE A Norma IEC 61850 utiliza para a comunicao entre equipamentos mensagens denominadas GOOSE. Tais mensagens so baseadas no envio assncrono de variveis binrias, orientado a eventos e direcionada aplicaes de proteo em SEs. Trafegam ponto-a-ponto em alta velocidade. Para uma maior confiabilidade as mensagens so repetidas at um tempo limite. Utilizam o servio SCSM (Specific Communication Service Mapping). Este servio usa um esquema de retransmisso especial para alcanar um alto nvel de confiabilidade, que consiste em repetir a mensagem diversas vezes at que seja recebida uma confirmao de confirmao. A cada nova tentativa, dobra-se o tempo de espera visando evitar colises. Cada mensagem dessa retransmisso carrega consigo um parmetro denominado Time Allowed To Live, informando ao receptor o tempo mximo de espera para a prxima retransmisso. Caso uma nova mensagem no seja

recebida nesse intervalo de tempo, o receptor entender que a conexo foi encerrada. Toda essa troca de dados feita de forma serial ou horizontal com 64 pares de bits cada mensagem, com o especificado pela norma. Pode-se observar nas figuras 8, 9 e 10 essa comunicao e o modelo da mensagem GOOSE.

Figura 8 Sistema de comunicao via GOOSE.

Figura 9 Comunicao via GOOSE.

Figura 9 Modelo de mensagem GOOSE (CRISPINO et al., 2010). Estes tipos de mensagens so realizados atravs do trfego de informaes do tipo multicast, ou seja, as informaes so lanadas na camada do modelo OSI mais inferior e atingem de maneira eficiente e rpida todos os dispositivos conectados a rede em que se encontram. Assim, apenas os IEDs habilitados a usufrurem daquela informao a absorvero e a utilizaro de maneira conveniente. Portanto, a comunicao torna-se rpida, segura e eficaz. A diferena entre mensagens GOOSE e mensagens GSSE que a primeira configurvel e utiliza um data set. J as GSSE suportam apenas uma estrutura fixa de informao de estado, que publicada e disponibilizada na rede. Alguns testes de comparao de performances entre tempo de contato e tempo de GOOSE foram realizados com um certo rel, percebendo-se que o tempo de resposta do GOOSE foi aproximadamente 4ms menor que o tempo de resposta atravs do contato. Alm de obterem-se tempos menores com o GOOSE, tambm possvel trocar uma quantidade muito maior de dados entre os equipamentos do sistema, uma vez que no se torna necessria a utilizao das entradas e sadas binrias do rel, proporcionando um melhor controle de todo o sistema de proteo. Neste tipo de mensagem a comunicao testada o tempo todo.

2.5 SISTEMAS DE AUTOMAO DE SUBESTAES (SAS) As caractersticas dos Sistemas de Automao de Subestaes (SAS) evoluram consideravelmente com o uso de rels de proteo microprocessados. H vrias subestaes utilizando protocolos concebidos para aplicaes especficas. Outras utilizando protocolos de normas internacionais, porm projetados pata atender as finalidades das instalaes locais. Para se atender a todas as necessidades do SAS esses protocolos no so suficientes A Norma IEC 61850 define caminhos para o intercmbio de dados entre os dispositivos

eletrnicos. Esses caminhos podem ser usados de diferentes maneiras para as aplicaes de proteo. Esses caminhos so aplicados aos componentes individuais do SAS. As caractersticas da Norma permitem que o SAS seja considerado uma plataforma aberta de proteo e automao de SEs, independente dos fornecedores. A especificao do SAS utilizando a Norma tem semelhanas com um sistema comum, a citar: fornecimento de informaes sobre o diagrama unifilar da subestao, a lista de pontos, as funcionalidades requeridas com os requisitos de desempenho, as interfaces com o processo e com outros IEDs, incluindo informaes sobre seus protocolos, as condies do ambiente, dentre outras. Um SAS utilizando o IEC 61850 realiza a comunicao de modo tanto horizontal quanto vertical, a depender da informao a trafegar pela rede. A padronizao dos protocolos de comunicao em Sistemas de Automao de Subestaes resultou na IEC 61850.

2.6 LINGUAGEM DE CONFIGURAO DE SUBESTAO (SCL) A Linguagem de Configurao de Subestao (SCL) habilita a configurao da subestao e possibilita a especificao da relao da comunicao entre as unidades que compem o SAS. Esse arquivo tambm descreve a relao entre o equipamento secundrio e o diagrama unifilar. Porm, sua finalidade maior consiste em uniformizar a nomenclatura utilizada atravs de um modelo nico de dados, criando, assim, um vocabulrio comum. Esse tipo de padronizao essencial para uma comunicao eficiente, pois modelos diferentes acarretam muitas vezes em uma traduo equivocada por parte de dispositivos de traduo, ocasionando falha na comunicao ou retardo na chegada dos dados. Vislumbra-se, ento, uma importao direta de dados. Agregando-se SCL informaes contendo as caractersticas e configurao da rede de comunicao, cria-se um arquivo que representa todo o sistema: o SSD (System Specification Description). Tal arquivo possui a descrio dos dados deste sistema e contm o diagrama unifilar com as funes alocadas. Adicionando ao arquivo SSD o arquivo ICD (IED Capability Description), que contm as possibilidades e funcionalidades disponveis no IEDs, obtm-se o arquivo SCD (Substation Configuration Description), que faz a descrio da configurao da subestao. Este arquivo corresponde aos diagramas esquemticos e lgicos de uma subestao em formato digital. O arquivo ICD de um IED aps configurado para um fim especfico, torna-se o CID (Configured IED Description), que descreve a configurao do dispositivo.

3 CONSIDERAES FINAIS A alocao de funes pode aumentar ou diminuir o nmero de IEDs e a disponibilidade do sistema. Cada concessionria escolhe sua configurao para sua finalidade, Porm, essa escolha ter impacto direto na arquitetura fsica do sistema. Logo, deve-se atender ao critrio de falha simples, que aponta que a falha de qualquer um dos componentes de um sistema de proteo responsveis pela eliminao de defeitos no deve resultar na falha completa do processo. Para se conseguir essa proteo extra pode-se inserir redundncia no sistema ou fazer proveito da livre alocao de funes dos dispositivos. Sistemas digitalizados podem ser expandidos individualmente atravs de um upgrade no software e reajustando-se os parmetros. Essa capacidade mostra-se realmente prova de futuro, uma vez que a tecnologia est em constante mudana e as empresas querem melhorar seus produtos gastando cada vez menos.

Por fim, vale ressaltar a importncia de um bom sistema de proteo em que todos saem ganhando: as empresas, com menos gastos e mais lucros; os trabalhadores que nela desempenhem alguma funo, ganhando mais segurana e confiana em executar suas tarefas; e o usurio final, recebendo um servio padronizado que leva consigo uma maior qualidade.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

PAULINO, M.E.C. Aspectos da Implementao e Validao de sistemas Baseados na IEC 61850, Anais do SBSE 2008 -Simpsio Brasileiro de Sistemas Eltricos 2008 Belo Horizonte-MG, Abril 2008.

______. Testes de IEDs e Sistemas Operando com redes de Comunicao com IEC 61850, Anais do XII ERIAC - Dcimo Segundo Encontro Regional Ibero-americano do CIGR Foz do Iguau-PR, Maio 2007.

JNIOR, P.S.P.; MARTINS, C.M.; PEREIRA, P.S. Testes de performance em IEDs atravs de ensaios utilizando mensagens GOOSE, Anais do IX STPC - Nono Seminrio Tcnico de Proteo e Controle Belo Horizonte-MG, Junho 2008

CRISPINO, F., et alii. Uma experincia aplicando um padro orientado a objetos: IEC61850 na integrao de IEDs na automao de subestaes. Disponvel em: < http://www.cteep.com.br/port/institucional/artigos/Artigo_T05_0068_024_2002.pdf> Acesso em: 10 julho 2010.

SANTOS, L.F.; PEREIRA, M. Uma Abordagem Prtica do IEC 61850 para Automao, Proteo e Controle de Subestaes, Anais do VII SIMPASE - Stimo Simpsio de Automao de Sistemas Eltricos Salvador-BA, Agosto 2007.

______. Integrao de Funes em Subestaes: Possibilidades e Desafios, Anais do IX STPC - Nono Seminrio Tcnico de Proteo e Controle Belo Horizonte-MG, Junho 2008.

PEREIRA, A. Cascaes; et alii. Automao de Subestaes e Usinas Estado da arte e tendncias utilizando a Norma IEC 61850, Anais do VII SIMPASE - Stimo Simpsio de Automao de Sistemas Eltricos Salvador-BA, Agosto 2007.