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IEC 61850 Parte 7-410: Principais modificações incl uídas e seus impactos

� MTM, Marcelo Trindade Malafaia �

� ANDRITZ HYDRO Brasil Ltda. �

� BRASIL

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RESUMO

Inicialmente nomeada como IEC 62344, a parte 7-410 da norma IEC 61850, que se refere à comunicação para monitoramento e controle de plantas hidrelétricas, teve seu estudo iniciado em 2003 com a sua primeira aprovação (Comitee Draft Voting – CDV) pelo comitê técnico (Techinal Comitee 57 - Working Group 18) no início de 2004. O presente trabalho apresenta a situação atual desta parte da norma após a emissão do FDIS (Final Draft International Standad) em julho de 2007, os novos Logical Nodes e Data Objects por ela incluídos, e os impactos destes no desenvolvimento de projetos de automação de usinas hidrelétricas.

O objetivo principal da elaboração da Parte 7-410 é o de especificar novos Common Data Classes, Logical Nodes e Data Objects que permitam a aplicação integral da norma IEC 61850 em usinas hidrelétricas. Para tanto foi necessário realizar adequações em grupos de Logical Nodes existentes bem como a criação de um novo com a inicial “H”. As adequações abrangeram os seguintes campos de aplicação: funções elétricas, funções mecânicas; funções hidrológicas e sensores.

Outra alteração que se fez necessária foi a adequação no modelo de objeto UML estabelecido em IEC 61850-6, o qual trazia descrição dos objetos e suas funções, bem como da estrutura hierárquica (topologia) apenas para equipamentos de subestações. O novo modelo incorpora estes equipamentos como parte da usina hidrelétrica e agrega outros como unidade geradora, barragem e reservatório em estrutura hierárquica condizente com as necessidades desta aplicação.

Não existe uma padronização para o arranjo geral das funções de controle, pois tal padronização dependeria do tipo de operação da planta (local ou remotamente) e das características específicas de cada empresa geradora em configurar, manter e gerenciar seus sistemas. Com isso alguns Logical Nodes acabaram por ter funções sobrepostas e permitindo que cada usuário selecione aqueles que mais se adaptem a suas necessidades. Outros ainda são muito simples e propiciam grande liberdade de configuração no arranjo das funções de controle.

A adoção do meio físico no padrão Ethernet em combinação com o protocolo TCP/IP como barramento de processo em automação de usinas hidroelétricas é hoje a solução mais adotada por todos os fornecedores. O mesmo não pode ser dito dos protocolos que operam sobre esta base, pois há ainda uma diversidade muito grande entre as soluções empregadas. A parte 7-410 da norma IEC 61850 traz para o ambiente das usinas hidrelétricas a vantagem de se ter um único protocolo de comunicação entre dispositivos eletrônicos inteligentes, além das demais vantagens já largamente exploradas e publicadas desta norma que não serão abordadas no presente trabalho.

PALAVRAS CHAVE

IEC 61850, Automação de Usinas, Sistema Elétrico e Potência, Excitação, Regulação Velocidade, Sincronismo.

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INTRODUÇÃO

A norma internacional IEC 61850, teve o início de sua elaboração no ano de 1995 pelo comitê técnico TC57, que trata de equipamentos e sistemas para controle do sistema de potência, grupo de trabalho WG18, e seguiu o processo completo de discussões, votações e aprovações, conforme apresentado abaixo, até chegar em 2003 quando teve o seu rascunho final (FDIS – Final Draft International Standard) emitido e posteriormente, e ainda neste ano para algumas de suas partes, a sua versão definitiva (IS – International Standard).

Seqüência evolutiva dos documentos dentro da IEC:

- New Work Item Proposal (NWIP)

- Working Draft (WD)

- Committee Draft (CD)

- Committee Draft for Voting (CDV)

- Final Draft International Standard (FDIS)

- International Standard (IS)

Esta norma trouxe uma quantidade significativa de inovações para a integração de equipamentos e sistemas no ambiente de subestações. O presente trabalho não tratará destas inovações visto que o tema vem sendo largamente discutido e abordado em eventos, seminários e mesmo na prática diária de desenvolvimento e implantação de sistemas de proteção e controle para subestações.

Em sua primeira edição a norma IEC 61850 foi emitida consistindo das seguintes partes, sob o título genérico de Redes de Comunicação e Sistemas em Subestações:

- Parte 1: Introdução e visão geral

- Parte 2: Glossário

- Parte 3: Requerimentos gerais

- Parte 4: Gerenciamento de sistema e projeto

- Parte 5: Requerimentos de comunicação para funções e modelos de dispositivos

- Parte 6: Linguagem descritiva de configuração para comunicação em subestações elétricas relacionados a dispositivos eletrônicos inteligentes

- Parte 7-1: Estrutura básica de comunicação para subestação e equipamentos de alimentadores – Princípios e modelos

- Parte 7-2: Estrutura básica de comunicação para subestação e equipamentos de alimentadores – Interface de serviço de comunicação abstrata (ACSI – em inglês)

- Parte 7-3: Estrutura básica de comunicação para subestação e equipamentos de alimentadores – Common Data Classes

- Parte 7-4: Estrutura básica de comunicação para subestação e equipamentos de alimentadores – Classes de Logical Nodes e classes de dados compatíveis

- Parte 8-1: Mapeamento do Serviço de Comunicação Específico (SCSM – em inglês) – Mapeamento para MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) e para ISO/IEC 8802-3

- Parte 9-1: Mapeamento do Serviço de Comunicação Específico (SCSM – em inglês) – Valores amostrados sobre enlace serial unidirecional multidrop ponto-a-ponto

- Parte 9-2: Mapeamento do Serviço de Comunicação Específico (SCSM em inglês) – Valores amostrados sobre ISO/IEC 8802-3

- Parte 10: Teste de conformidade

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A necessidade de criação de uma nova parte deu-se principalmente porque as partes acima listadas foram desenvolvidas visando padronização de sistemas de automação de subestações apenas.

A parte 7-410: Plantas Hidrelétricas – Comunicação para monitoramento e controle, que inicialmente foi chamada de IEC 62344, teve início de sua elaboração no ano de 2003 passando pelas etapas de discussões e votações no ano de 2005, tendo seu rascunho final emitido no ano de 2007.

1995

1995

IEC 61850 – Padronização para subestações

Início daPadronização

Final Draft InternationalStandard (FDIS) e o International

Standard (IS)

Solicitado emDiversas Especificações

Técnicas

CDV(IEC 62344)

2006200620032003 20052005

Início daPadronização(IEC 62344)

20072007

FDIS Standard(IEC 61850-7-410)

IEC 61850-7- 410 - Padronização para usinas hidrelétr icas

2006200620032003 20052005 20072007

Figura 1 - Seqüência cronológica das fases de aprovação da norma IEC 61850

Esta parte trouxe consigo alterações importantes, que estão apresentadas em detalhes no capítulo seguinte, tendo como escopo principal especificar, Logical Nodes, Data Objects e Common Data Classes para aplicação integral da norma IEC 61850 em usinas hidroelétricas.

A previsão para emissão da segunda edição completa da norma IEC 61850, incluindo a Parte 7-410, está prevista para metade de 2011, de acordo com o planejamento do IEC Working Group 18.

PRINCIPAIS ALTERAÇÕES INTRODUZIDAS PELA PARTE 7-410

1.1. Estabelecimento de conceitos básicos de superv isão e controle de usinas hidroelétricas

Como a maioria dos componentes de uma usina hidrelétrica, a exceção daqueles pertencentes à subestação da usina, ainda não havia sido abordado pelas partes existentes na primeira edição da norma IEC 61850, foi necessário primeiramente estabelecer-se os conceitos básicos e funcionalidades de uma usina hidrelétrica.

A figura abaixo mostra a estruturação elaborada para identificar e hierarquizar os componentes de uma usina hidrelétrica. As alterações em relação à IEC 61850-6 estão identificadas em cores.

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Figura 2 - Estruturação hierárquica de usinas hidrelétricas

A unidade geradora, no modelo proposto, é composta de turbina, gerador e um conjunto de equipamentos auxiliares. Já o transformador elevador não tem uma relação unívoca com a unidade geradora, como pode ser observado no caso de pequenas centrais hidrelétricas, onde mais de um conjunto turbina-gerador estão associados ao mesmo transformador. Por este motivo ele é tratado independentemente, como parte integrante da subestação.

Observa-se também no modelo proposto que a subestação é parte integrante da usina e assim sendo, para este subsistema, a base da norma IEC 61850 é aplicada sem alterações.

Estas e outras definições iniciais foram estabelecidas de princípio como base estrutural para construção da toda a modelagem da parte 7-410.

Foram estabelecidos também princípios de controle para:

- Controle da água em rios: Controle de Fluxo, Controle de Nível e Controle em Cascata (várias usinas no mesmo rio);

- Controle do sistema elétrico e determinação dos estados estáveis:

o Unidades geradoras podem ser operadas em diferentes modos: Potência ativa, Compensador síncrono e Bombeando água de volta para o reservatório (gerador operando como motor e a turbina como bomba)

o Unidades geradoras podem encontrar-se em diferentes estados estáveis: Excitada não conectada; Sincronizada; Sincronizada em compensação síncrona; Operação isolada; Operação para suprimento de energia local apenas.

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Figura 3 - Princípios para controle conjunto de usinas hidrelétricas

1.2. Conceitos de Modelagem

A base da modelagem, princípios e conceitos da primeira edição da norma IEC 61850 foram inteiramente mantidos. Isto é, o conceito geral de Logical Device, Logical Node, Common Data Classes não foram alterados em sua essência.

Figura 4 - Conceito de dispositivo da IEC 61850

As alterações trazidas pela parte 7-410, em relação e primeira edição da norma IEC 61850, se deram em sua grande maioria nas partes 7-3 e 7-4 que definem os Logical Nodes e Common Data Classes.

1.3. Resumo das alterações nos Logical Nodes

Novos Logical Nodes (LN) e Data Objects (DO) foram definidos para as seguintes áreas de aplicação:

- Funções Elétricas: os diversos LN e DO criados neste grupo estão essencialmente relacionados a excitação de geradores, não limitando-se apenas a hidrogeração;

- Funções Mecânicas: este grupo inclui funções relacionadas essencialmente à turbina e seus auxiliares. Neste caso as especificações foram feitas exclusivamente para hidrogeração e alterações serão necessárias para outros tipo de plantas de geração

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de energia. Algumas funções genéricas estão definidas dentro do grupo de Logical Node K;

- Funções Hidrológicas: este grupo inclui funções e objetos relacionados ao fluxo, controle e gerenciamento da água em barragens e reservatórios. Apesar de específicos para hidrogeração, os LN e DO definidos podem ser aplicados em outros tipos de sistemas de gerenciamento de água;

- Sensores: este grupo inclui funções para sensores proverem medições, outras que não elétrica, necessárias em uma usina hidrelétrica. Com poucas exceções, a modelagem realizada para estes sensores pode ser aplicada em áreas diversas.

Abaixo, e em negrito, estão os novos grupos de funções de LN criados e aqueles que sofreram revisão:

- A: Funções automáticas de controle;

- C: Funções de controle

- D: Funções específicas para distribuição de recursos de energia (DER em inglês)

- F: Logical nodes representando blocos funcionais

- G: Referências genéricas

- H: Funções específicas para usinas hidrelétricas

- I: Funções de interface e arquivo

- K: Equipamentos primários mecânicos e não-elétricos

- L: Dispositivos físicos e Logical Nodes comuns

- M: Medição e medidas

- P: Proteção Elétrica

- R: Funções relacionadas a proteção

- S: Supervisão e Monitoramento

- T: Sensores e transmissores (incluindo transformado res para instrumentos)

- W: Funções específicas para usinas heólicas

- X: Subestação

- Y: Transformadores de potência

- Z: Equipamentos para sistema de potência

Ainda, em função das diferenças entre subestações e usinas hidrelétricas, a parte 7-410 traz uma recomendação para designação do nome dos LN, acrescentando nestes um prefixo. Isso deve-se ao fato que em usinas as funções de controle, na sua grande maioria, são construídas a partir de blocos genéricos. Abaixo estão listadas estas recomendações, em inglês, e é possível observá-las aplicadas na Figura 5 - .

Tabela 1 - Recomendação para prefixos de LN

Nome / Descrição Prefixo Sugerido

Active Power W_ Actuator Act_ Current A_ Deflector Dfl_ Droop Drp_ Flow Flw_ Frequency Hz_

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Guide vane Gv_ Level Lvl_ Limiter Lim_ Needle Ndl_ POsition Pos_ Power factor Pf_ Pressure Pa_ Reactive Power Var_ Runner blade Rb_ Speed Spd_ Temperature Tmp_ Voltage V_

Figura 5 - Esquemas típicos para Regulação de Velocidade (à esquerda) e Excitação (à direita)

Não há obrigatoriedade de uso destes prefixos, eles são apenas uma recomendação.

Conceitualmente sensores e transmissores, inseridos no grupo de funções T, diferem daqueles inseridos no grupo S (supervisão e monitoramento) por terem como saída um sinal analógico singelo amostrado a certa taxa. Já as funções do grupo S convertem sinais amostrados em medidas e executam verificações de limites.

Dentre as alterações introduzidas, existe um Logical Node que merece destaque especial, é o RSYN. Este LN já existia na primeira edição da norma IEC 61850 porém, para a segunda edição, sua especificação será substituída pois não é apropriada para o uso em usinas.

As tabelas abaixo apresentam as funções inseridas nos grupo de Logical Nodes:

Tabela 2 - Grupo de Funções F

Grupo F: Blocos Funcionais

FCNT Função de contador FCSD Descrição de formato de curva FFIL Função de filtro FLIM Função de limite FPID Função reguladora proporcional, integral diferencial

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FRMP Função de controle de rampa FXOT Ação ao atingir ajuste limite superior FXUT Ação ao atingir ajuste limite inferior

Tabela 3 - Grupo de Funções H

Grupo H: Logical nodes específicos para hidrogeração

HBRG Mancais da turbina e gerador HBRK Sistema de freios para o gerador HCOM Combinador (3D ou 2D) HDAM Barragem e reservatório de hidrogeração HDLS Supervisão de vazamento na barragem HGPI Indicação da posição da comporta HGTE Comporta da barragem HITG Comporta de adução HJCL Função de controle conjunto da usina HLKG Supervisão de vazamento HLVL Indicador de nível de água na barragem HNDL Controle dos bicos injetores HNHD Queda líquida HOTP Proteção de extrapolação do nível da barragem HSEQ Seqüência de partida e parada HUNT Unidade de produção/geração de hidrogeração HWCL Função de controle de água

Tabela 4 - Grupo de Funções I

Grupo I: Interface e Arquivo

ISAF Dispositivo genérico de segurança

Tabela 5 - Grupo de Funções K

Grupo K: Equipamentos primários mecânicos e não -elétricos

KFAN Ventilador KFIL Filtro KPMP Bomba KTNK Tanque KVLV Válvula FRMP Função de controle de rampa FXOT Ação ao atingir ajuste limite superior FXUT Ação ao atingir ajuste limite inferior

Tabela 6 - Grupo de Funções M

Grupo M: Medição e medidas

MENV Dados ambientais MHYD Medidas hidrológicas MMDC Medição de corrente e tensão em CC MMET Medidas meterológicas

Tabela 7 - Grupo de Funções P

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Grupo P: Funções de proteção

PRTR Proteção do rotor PTHC Proteção de falha do tiristor

Tabela 8 - Grupo de Funções R

Grupo R: Funções relacionadas a proteção

RSYN Sincronização (em substituição a especificação da 1ª edição)

Tabela 9 - Grupo de Funções S

Grupo S: Supervisão e monitoramento

STMP Supervisão de temperatura SVBR Supervisão de vibração

Tabela 10 - Grupo de Funções T

Grupo T: Transdutores e transformadores para instrumentos

TANG Ângulo TAXD Movimento axial TDIS Distância TFLW Fluxo de líquido TFRQ Freqüência THUM Umidade TLEV Nível TMGF Campo magnético TPOS Indicador de posição TPRS Pressão TRTN Rotação TSND Pressão de som TTMP Temperatura TTNS Tensão mecânica / estresse TVBR Sensor de vibração TWPH Acidez da água

Tabela 11 - Grupo de Funções Z

Grupo Z: Supervisão e monitoramento

ZRES Resistor de neutro ZSCR Retificador controlado a semi-condutor ZSMC Máquina síncrona

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1.4. Classes de Logical Nodes

Para cada uma das alterações descritas no item 1.3 foram criadas classes com atributos específicos.

A parte 7-410 traz também uma lista de abreviaturas para o nome dos atributos que complementa a já existente na parte 7-4 da primeira edição da norma IEC 61850.

Abaixo estão apresentados dois exemplos de classes para os novos LN.

Figura 6 - Classes de LN para Unidade de Hidrogeração (HUNT) e Controle Conjunto (HJCL)

Estão destacados através do retângulo vermelho aqueles atributos mandatórios, isto é, devem constar sempre na criação de uma instância desta classe de LN.

Como pode ser observado no caso do LN para Controle Conjunto (HJCL) no exemplo acima, existe uma grande quantidade de atributos assinalados como opcionais. Esta característica se repete em outros LN mesmo naqueles já existentes na primeira edição da IEC 61850. O aspecto negativo desta não obrigatoriedade é que na fase de implantação do projeto, quando da integração entre diferentes fabricantes, haverá necessidade de se dedicar atenção especial para estes casos, e, na maioria das situações, estes atributos não

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implementados na classe específica, deverão ser configurados separadamente como objetos genéricos no grupo G.

1.5. Common Data Classes

De forma análoga aos LN, para adequação da primeira edição da norma IEC 61850 ao ambiente de usinas hidrelétricas, houve necessidade de criação de novas Common Data Classes. A quantidade de alterações neste caso foi bem menor quando comparado aos LN.

Tabela 12 - Novos Common Data Classes

DOO Identificador de propriedade do dispositivo TAG Identificador de manutenção e operação (cartão de segurança) RST Restrição de operação

SITUAÇÃO ATUAL DOS PROJETOS DE AUTOMAÇÃO DE USINAS HIDROELÉTRICAS

A maioria absoluta dos projetos de automação de usinas hidrelétricas, seja para pequenas centrais hidrelétricas ou para usinas de médio e grande porte, traz atualmente o padrão Ethernet, em combinação com o protocolo TCP/IP, como solução típica para o barramento de processo.

Porém esta convergência na solução para o barramento de processo não se refletiu nos protocolos que rodam sobre ela. Existem ainda muitas soluções proprietárias, padrões abertos, como Modbus/TCP, e protocolos da área elétrica já consagrados, como IEC 60-870-5-104 e o DNP Level 3 sobre TCP/IP.

A parte 7-410 da norma IEC 61850 traz para o ambiente das usinas hidrelétricas a vantagem de se ter um único protocolo de comunicação entre dispositivos eletrônicos inteligentes, além das demais vantagens já conhecidas da primeira edição da norma IEC 61850.

BIBLIOGRAFIA

[1] FDIS IEC 61850-4-710 – “Hydroelectric power plants – Communication for monitoring and control”, TC 57 WG 18, IEC:2007.

[2] IEC 61850-7-3 – “Basic communication structure for substation and feeder equipment – Common data classes”, First edition 2003-05.

[3] IEC 61850-7-4 – “Basic communication structure for substation and feeder equipment – Compatible logical node classes and data classes”, First edition 2003-05.

[4] IEC 61850-6 – “Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs”, First edition 2004-03.