Universidade Federal da BahiaDepartamento de Engenharia EltricaCurso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Antnio Sobrinho Camila Maciel Andrade Eduardo Andrade Leandro Lima dos Santos

AUTOMAO DE REDES DE DISTRIBUIO

Salvador, Bahia Junho de 2011

Antnio Sobrinho Camila Maciel Andrade Eduardo Andrade Leandro Lima

AUTOMAO DE REDES DE DISTRIBUIO

Trabalho submetido Disciplina de Automao dos Sistemas Eltricos de Potncia do Programa de PsGraduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal da Bahia como parte dos requisitos necessrios para a concluso da mesma.

rea de Concentrao: Automao

Professor D.Sc. Caiuby A Costa

Salvador, BahiaJunho de 2011 2

RESUMO

A automao de redes de distribuio constitui-se na integrao de sistemas digitalizados que executam um complexo conjunto de funes como: monitorao, proteo, comando remoto, manobras automticas, comunicao de dados e entre outros, com a finalidade de fornecer energia eltrica de forma mais eficiente e segura para os consumidores. Em destaque est o Sistema de Superviso e Controle - SSC, formado essencialmente por nveis hierrquicos, entre eles o Centro de Operaes da Distribuio COD, que por sua vez, compe-se por subsistemas integrados, diretamente responsveis pela automao de toda rede eltrica de distribuio. Nesse sentido, a utilizao de equipamentos modernos como os dispositivos eletrnicos inteligentes IED e os religadores automticos so de suma importncia para a eficincia do processo, assim como os novos equipamentos desenvolvidos para proporcionar uma melhoria contnua no sistema, como as chaves seccionalizadoras, cuja sua funcionalidade e aplicao faz parte do estudo de caso do presente trabalho.

Palavras chaves: Distribuio de energia, Automao de rede eltrica, religadores automticos, chave seccionalizadora.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 : Componentes que integram uma Concessionria de Energia [5] .................. 17 Figura 2 : Esquema da interao entre os nveis hierrquicos [5] .................................. 19 Figura 3 : Automao da distribuio e seus subsistemas [5] ........................................ 21 Figura 4 : Distribuio da base de dados[5] ................................................................... 22 Figura 5 : Subsistema Engenharia [5] ............................................................................ 22 Figura 6 : Posio dos transformadores de uma rede [5] ............................................... 24 Figura 7 : Todos os transformadores [5] ........................................................................ 25 Figura 8 : Todos os transformadores subcarregados [5] ................................................ 25 Figura 9 : Postes com suas alturas e classes [5] ............................................................. 25 Figura 10 : Subsistema de superviso em tempo real [5] ............................................... 26 Figura 11 : Superviso de Rede [5] ................................................................................ 27 Figura 12 : Sistema de Informao da Distribuio [5].................................................. 33 Figura 13 : Sinal Ripple e Onda Resultante ................................................................... 36 Figura 14 : Comunicao hbrida [10]............................................................................ 40 Figura 15 : Arquitetura tpica de uma rede de automao industrial segundo o padro IEC 61850. ...................................................................................................................... 44 Figura 16 : Seccionalizador ligado a jusante do religador [1]. ....................................... 53 Figura 17 : Princpio de coordenao religador x seccionalizador [1]. .......................... 53 Figura 18 : Sequncia de operao do religador: 2 rpidas + 2 retardadas .................... 56 Figura 19 : Arquitetura de comunicao de chaves e religadores via modem celular ... 61 Figura 20 : Software de controle Chave 584 ............................................................... 62 Figura 21 : Software de Controle ndice de Chaves Remotas ..................................... 62 Figura 22 : Evoluo dos indicadores de qualidade ....................................................... 63 Figura 23 : Estrtutura da Chave ...................................................................................... 64 Figura 24 : Chave Seccionalizadora Vista Frontal ...................................................... 654

Figura 25 : Chave Seccionalizadora - Vista Transversal ................................................ 65 Figura 26 : Chave Seccionalizadora - Vista Lateral ....................................................... 65 Figura 27 : Cubculo de Controle - Indicaes ............................................................... 66 Figura 28 : Cubculo de Controle - Vista Interior .......................................................... 67 Figura 29 : Cubculo de Controle - Baterias ................................................................... 67 Figura 30 : Cabo de Controle que se liga ao Mdulo de Entrada do Cabo Umbilical ... 68 Figura 31 : Modem para Comunicao Via Celular - GPRS ......................................... 68 Figura 32 : Operao do Sistema.................................................................................... 69 Figura 33 : Painel de Controle - Indicaes ................................................................... 70 Figura 34 : Painel de Controle ........................................................................................ 70 Figura 35 : Montagem e dimenso ................................................................................. 71 Figura 36 : Montagem dos Cabos ................................................................................... 71

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 : Consideraes sobre Automao ................................................................... 13 Tabela 2 : Tipos de Automao ...................................................................................... 14 Tabela 3 : Conceituao dos Indicadores de Qualidade ................................................. 15 Tabela 4 : Tenses de Conexo em BT [4] .................................................................... 16 Tabela 5 : Tipos de Sistemas de Comunicao Utilizados ............................................. 35 Tabela 6 : Chaves Automticas por Ano ........................................................................ 63 Tabela 7 : Religadores .................................................................................................... 63

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLASAM - Modulao em Amplitude ASCI - Abstract Communication System Interface COD - Centro de Operao da Distribuio COR - Centro de Operao Regional COS - Centro de Operao do Sistema COELBA Companhia de Eletricidade da Bahia DAU - Unidade de Aquisio de Dados DCS - Distributed Control System DLC - Distribution Line Carrier FM - Frequency Modulation GIS - Geographic Information System GOOSE - Generic Object Oriented Substation Event GPRS - General Packet Radio Service GSE - Generic Substation Event GSSE - Generic Substation Status Event IDS - Intrusion Detection System IEC - International Electrotechnical Commission IED - Intelligent Electronic Device IHM - Interface Homem Mquina IP - Internet Protocol LAN - Local Area Network LD - Logical Devices LF - Logical Function LN - Logical Node ONS - Operador Nacional do Sistema PLC - Power Line Carrier RTU - Remote Terminal Unit SAS - Substation Automation System SCL - Substation Configuration Language SLAN - Substation Local Area Network TCP - Transmission Control Protocol UAC - Ultra High Frequency7

UHF - Very High Frequency VHF - Very High Frequency VLAN - Virtual Local Area Network WAN - Wide Area Network XLPE- Isolao em composto termofixo base de Polietileno Reticulado

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SUMRIO1 INTRODUO ................................................................................................................................ 11 1.1 1.2 2 2.1 2.2 2.2.1 2.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 OBJETIVO ............................................................................................................................... 11 METODOLOGIA ..................................................................................................................... 11 RESUMO HISTRICO DA AUTOMAO .......................................................................... 12 NECESSIDADE DE AUTOMATIZAR ................................................................................... 13 Indicadores de Qualidade: DEC e FEC ................................................................................ 14 REDES DE DISTRIBUIO DE ENERGIA ELTRICA ...................................................... 15 SISTEMA DE SUPERVISO E CONTROLE DO SISTEMA DE POTNCIA .................... 17 SUBSISTEMAS DE REDES DE DISTRIBUIO DE ENERGIA ELTRICA ................... 21 Subsistema base de dados comuns ....................................................................................... 22 Subsistema comercial ........................................................................................................... 22 Subsistema de engenharia ..................................................................................................... 22 Subsistema de digitao de mapas ........................................................................................ 24 Subsistema de superviso em tempo real ............................................................................. 26

REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................................................................ 12

2.5.5.1 Superviso e controle de subestaes ..................................................................................... 26 2.5.5.2 Superviso e Controle e Usinas .............................................................................................. 27 2.5.5.3 Superviso e controle da rede primria e secundria .............................................................. 27 2.5.6 2.5.7 2.5.8 2.5.9 2.5.10 2.5.11 2.6 2.7 2.7.1 2.7.1.1 2.7.1.2 2.7.1.3 2.7.1.4 2.7.1.5 2.7.1.6 2.7.1.7 2.7.1.8 2.7.1.9 Subsistema de leitura automtica de medidores ................................................................... 28 Subsistema de Gerenciamento de Carga ............................................................................... 29 Subsistema de atendimento reclamaes ........................................................................... 29 Subsistema de ligao de consumidores ............................................................................... 30 Subsistema de gerenciamento de construo.................................................................... 31 Subsistema de manuteno ............................................................................................... 32

CONFIGURAO DO SISTEMA DE DISTRIBUIO ....................................................... 33 SISTEMAS DE COMUNICAO .......................................................................................... 34 Tipos de Sistemas de Comunicao utilizados na Automao ............................................. 34 Power Line Carrier - PLC ................................................................................................ 35 Controle de Ripple ........................................................................................................... 36 Tcnica Zero Crossing ..................................................................................................... 37 Telefone ........................................................................................................................... 37 TV a Cabo ........................................................................................................................ 37 Rdio ................................................................................................................................ 38 GPRS ................................................................................................................................ 39 Fibra tica ........................................................................................................................ 40 Sistemas hbridos ............................................................................................................. 40

2.8 ESTUDO DO PADRO IEC 61850 e seus Protocolos de Comunicao em Redes de Distribuio ............................................................................................................................................ 41 9

2.8.1 Viso comparattiva entre Sistemas de Automao Industrial Predecessores e o novo Padro IEC 61850 e seus Protocolos de comunicao ................................................................................... 42 2.9 2.9.1 2.9.2 2.9.2.1 2.9.2.2 ARQUITETURA TPICA DE UMA REDE AUTOMATIZADA ........................................... 43 Elementos Fsicos e Lgicos de uma rede de automatizada ................................................. 45 Observaes de Projeto para SLAN IEC 61850 ................................................................... 47 IMPACTO DO PROJETO PARA PROTEO DAS COMUNICAES .................... 47 Interligao de Switches pticos, IEDs e equipamentos ................................................. 48

2.10 ASPECTOS DE COMUNICAO E TOLERNCIA A FALHAS EM SISTEMAS DISTRIBUIDOS .................................................................................................................................... 48 2.10.1 2.10.2 2.10.3 Mnimo tempo de resposta nas comunicaes utilizando GOOSE .................................. 48 Aspectos de comunicao e anlise de desempenho de mensagens GOOSE ................... 49 Aspectos de tolerncia a falhas; proteo rpida, confivel, adaptativa e flexvel ........... 50

2.10.4 A importncia da adoo de medidas de segurana da informao em redes de automao industrial 51 2.11 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA AUTOMAO DAS REDES DE DISTRIBUIO 52 Chaves Automticas ......................................................................................................... 52 Especificaes tcnicas e Funcionamento ........................................................................ 52 CARACTERSTICAS FUNCIONAIS ........................................................................ 55 Religadores Automticos ................................................................................................. 57 Especificaes tcnicas e Funcionamento ........................................................................ 57 Classificao dos religadores ........................................................................................... 58 2.11.1 2.11.1.1 2.11.1.1.1 2.11.2 2.11.2.1 2.11.2.2 3 3.1 3.2 4 5

ESTUDO DE CASO: COELBA ...................................................................................................... 60 SISTEMA DE AUTOMAO DA REDE DE DISTRIBUIO DA COELBA ................... 60 CHAVES SECCIONALIZADORAS ....................................................................................... 64

CONSIDERAES FINAIS ........................................................................................................... 72 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................................ 73

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1 INTRODUO

1.1 OBJETIVOA proposta para este trabalho fomentar um estudo a respeito da Automao de Redes de Distribuio de Energia Eltrica. Na reviso bibliogrfica sero abordados os conceitos principais sobre o assunto como: breve histrico da evoluo da automao das redes de distribuio, configurao do sistema de distribuio, subsistemas, sistemas de comunicao, arquitetura e equipamentos utilizados. Por fim para reiterar e consolidar os conceitos demonstrados realizado um estudo de caso.

1.2 METODOLOGIAO desenvolvimento deste trabalho tem como fundamentos a realizao de:

pesquisas bibliogrficas exploratrias, anlise de teses e artigos em peridicos, obter informaes sobre as novas tecnologias utilizadas na principal concessionria de distribuio de energia da Bahia, anlises comparativas das principais tcnicas empregadas na automao de redes de distribuio e compilao das informaes obtidas em forma de monografia.

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2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 RESUMO HISTRICO DA AUTOMAOA Revoluo Industrial proporcionou o desenvolvimento de sistemas mecnicos, como exemplo o regulador centrfugo para regulao da velocidade das mquinas a vapor, entretanto, os sistemas mecnicos de controle tiveram suas aplicaes limitadas, em funo de seus grandes volumes. Dessa forma, surgiu a necessidade da aquisio de maquinas mais eficientes, desenvolvendo-se ento as mquinas eltricas, que ampliaram de maniera expressiva as aplicaes da automao na indstria. A capacidade de controlar a velocidade e a potncia de um motor de corrente contnua por uma corrente de controle relativamente baixa no enrolamento do campo possibilitou o desenvolvimento de sistemas realimentados de vrias espcies [7]. Na dcada de 1950, a utilizao de vlvulas termoinicas (dispositivos eletrnicos formados por um invlucro de vidro de alto vcuo chamada ampola contendo vrios elementos metlicos) proporcionaram considerveis desenvolvimento na poca, porm tiveram suas aplicaes aos processos de larga escala limitados em funo de sua fragilidade e necessidade de constante manuteno especializada, o que resultava a elevados custos. O surgimento dos semicondutores provocou uma revoluo, modificando, de forma definitiva, todo cenrio da automao industrial. A partir de ento, desenvolveuse os circuitos integrados, permitindo um elevado crescimento do uso da automao em diversos sistemas. A produo industrial obteve um grande impulso na dcada de 1960, aps o surgimento do Controlador Lgico Programvel CLP, representando em um grande avano da tecnologia microeletrnica resultando em diversas melhorias como a facilidade na manuteno, na mudana de comandos e reduo de tamanho dos painis eletrnicos e por conseqncia reduo no consumo de energia. Com o passar dos anos, a utilizao de softwares elevou ainda mais a eficincia dos sistemas de automao, proporcionando assim, uma extrema e contnua melhoria, nos indicadores de segurana, qualidade e produtividade nas indstrias.12

2.2 NECESSIDADE DE AUTOMATIZARAs vantagens proporcionadas pela automao so, h muito tempo incontestveis, como destaque temos: aumento da produtividade, maior segurana, melhor qualidade, reduo de custo unitrio e etc. O constante aumento na demanda energtica, junto com a necessidade de produzir bens de consumo com indicadores de segurana, qualidade e produtividade cada vez mais elevados, leva as organizaes industriais a automatizarem seus processos, contudo, alguns aspectos devem ser analisados, conforme verificado na Tabela 1 abaixo: Tabela 1 : Consideraes sobre Automao Pergunta A tecnologia pode desempenhar uma tarefa melhor que o homem num sentido mais amplo? Atividades de apoio, manuteno, energia, Quais as redues de despesas esperadas? pessoal extra, consultorias, peas de reposio etc. A tecnologia pode ser flexvel o suficiente para ajustar-se s novas possibilidades de produtos ou servios? Risco no investimento, falta de flexibilidade, obsolescncia etc. Segurana, rapidez e melhoria do produto. Fatos a serem considerados

A Tabela 2 representa seis tipos de automao, a automao aplicada em Sistemas Eltricos de Potncia situa-se na inspeo automatizada do controle de qualidade e no controle automatizado de processo. Ambos so utilizados de forma interligada, pois atualmente as subestaes de energia eltrica so controladas por diversos sistemas inteligentes de proteo e sistemas de operao remota.

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Tabela 2 : Tipos de AutomaoTipos de Mquinas Descrio Mquinas que substituem o esforo humano por esforo de mquina e tipicamente executam de algumas a muitas operaes. Mquinas com sistemas de controle que lem instrues e as convertem para operaes de mquina. Manipuladores de uso geral, reprogramveis, de mltiplas funes, que possuem algumas caractersticas semelhantes s humanas Mquinas automatizadas que executam parte ou todo o processo de inspeo. Exemplos Dispositivos para centralizao e fixao rpidas para tornos, alimentadores em tiras para mquinas de estampar. Tornos, tornos mecnicos verticais, mquinas de fabricao de pneus, mquinas de cura, mquinas de tecelagem. Mquinas que soldam, pintam, montam, inspecionam a qualidade, pegam, transportam e armazenam. Verificaes de circuitos eletrnicos, verificaes de funes ativadas por computador, robs de pesagem, sistemas de inspeo flexvel. Sistemas de cdigo de barras, contabilidade de estoques, entrada de dados para controle de cho de fbrica, sistemas para ajustar configuraes de mquinas de produo. Sistemas de controle para laminadores na manufatura de pneus, calandras no processamento de filme plstico, unidades de destilao fracionada em refinarias de petrleo.

Anexos de mquina

Mquinas de controle numrico (NC)

Robs

Inspeo automatizada do controle de qualidade

Sistemas automticos de identificao (AIS)

Tecnologias usadas em aquisio automtica de dados de produtos para entrada num computador.

Controles automatizados de processo

Tecnologias usadas em aquisio automtica de dados sobre processo de produo e enviam ajustes para as configuraes do processo.

2.2.1 INDICADORES DE QUALIDADE: DEC E FEC As concessionrias de energia eltrica possuem como objetivo fornecer aos consumidores energia eltrica de forma contnua, dentro de determinados ndices de eficincia previamente estabelecidos por agncias regulatrias [2]. Em funo desta premissa, as empresas do setor esto sendo cada vez mais cobradas em eficincia energtica pela estrutura regulatria atual e pelos clientes, que desejam a melhoria contnua dos servios prestados. No Brasil, os indicadores utilizados para aferir a qualidade dos servios prestados so o DEC (Durao Equivalente de Interrupo por Unidade Consumidora) e o FEC (Freqncia Equivalente de Interrupo por Unidade Consumidora), regulamentados em legislao especfica e contratos de concesso [3], fornecidos pela Agncia Nacional de Energia Eltrica - ANNEL, conforme descrio da Tabela:14

Tabela 3 : Conceituao dos Indicadores de QualidadeIndicador Conceito

DEC

FEC

Durao Equivalente de interrupo por Consumidor: exprime o intervalo de tempo contnuo ou no em que, em mdia, cada consumidor do universo avaliado ficou privado do fornecimento de energia eltrica, no perodo de apurao, considerando-se as interrupes maiores ou iguais a 3 minutos. Este indicador tem freqncias mensal, trimestral (conjuntos ANEEL),acumulado no ano e anual (ano mvel). Freqncia Equivalente de interrupo por Consumidor: exprime o nmero de interrupes que, em mdia, cada consumidor do universo avaliado sofreu no perodo de apurao, considerando-se as interrupes maiores ou iguais a 3 minutos. Este indicador tem freqncias mensal, trimestral (conjuntos ANEEL), acumulado no ano e anual (ano mvel).

A melhoria da qualidade no fornecimento de energia resultado de estratgias que envolvem diretamente, a automao, que uma rea da tecnologia voltada para a melhoria de um determinado processo nas empresas, conforme abordado anteriormente. Quando se fala em melhoria no processo significa que a atividade deve ser realizada com: - melhor qualidade; - maior segurana; - maior rapidez; - menor variabilidade; - menor custo.

2.3

REDES DE DISTRIBUIO DE ENERGIA ELTRICA

As redes de distribuio de energia eltrica tm como finalidade abastecer industriais de mdio e pequeno porte, consumidores comerciais e residenciais. Segundo o mdulo 3 do Prodist (Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no Sistema Eltrico Nacional) da ANEEL, os nveis de tenso de distribuio so classificados como: - Alta tenso de distribuio (AT): tenso entre fases cujo valor eficaz igual ou superior a 69kV e inferior a 230kV; - Mdia tenso de distribuio (MT): tenso entre fases cujo valor eficaz superior a 1kV e inferior a 69kV;15

- Baixa tenso de distribuio (BT): tenso entre fases cujo valor eficaz igual ou inferior a 1kV. De acordo com a ANEEL, no mdulo 3 do Prodist, a tenso de fornecimento para a unidade consumidora se dar de acordo com a potncia instalada: - Tenso secundria de distribuio inferior a 2,3kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW; - Tenso primria de distribuio inferior a 69 kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500 kW; - Tenso primria de distribuio igual ou superior a 69 kV: quando a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for superior a 2.500 kW. As tenses de conexo padronizadas para MT e AT so:

a) 13,8 kV (MT); b) 34,5 kV (MT); c) 69 kV (AT); d) 138 kV (AT).

O responsvel pelas instalaes que se conectam ao Sistema de Distribuio de Baixa Tenso SDBT deve assegurar que as mesmas estejam em conformidade com as normas da Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT. Conforme a Tabela 4, as tenses de conexo em BT so: Tabela 4 : Tenses de Conexo em BT [4] SISTEMA TRIFSICO TENSO NOMINAL 220 / 127 380 / 220 254 / 127 440 / 220

MONOFSICO

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2.4 SISTEMA DE SUPERVISO E CONTROLE DO SISTEMA DE POTNCIAA distribuio de energia eltrica atualmente consiste num sistema bastante complexo que envolve diversas atividades integradas como: engenharia, gerenciamento, comercializao e administrao. Enquanto a gerao e a transmisso de energia cuidam de poucas grandes obras, a distribuio cuida de muitssimas pequenas obras, como um sistema capilar. Com o crescimento constante da demanda por eletricidade, houve ento a necessidade de aperfeioar todo o sistema de potncia (gerao, transmisso e distribuio). Assim, toda parte de funcionalidade do sistema vem evoluindo atravs da automao, que consiste essencialmente na sua informatizao. Ao passar do tempo, novas tecnologias entraram em cena para obter uma melhor eficincia do sistema, neste caso, a substituio da tecnologia analgica para a digital, cuja sua funo consiste basicamente em: superviso, comando, controle e proteo dos vrios componentes do sistema eltrico. Desta forma, a digitalizao tornou-se um pilar para o aprimoramento da Automao da Rede de Distribuio, sendo largamente utilizada pelas concessionrias. Uma concessionria de energia eltrica composta, de forma ampla, pela integrao de trs componentes bsicos (Figura 1): Sistema da Corporao (comercial, financeiro e administrativo) Sistema de Superviso e Controle (gerao e transmisso) Sistema de Automao da Distribuio

Figura 1 : Componentes que integram uma Concessionria de Energia [5]17

O Sistema de Superviso e Controle (SSC) ou Sistema de Gerenciamento da Energia (EMS: Energy Management System), de uma forma geral, tem a funo de fornecer os caminhos para coordenao da operao e da manuteno do sistema eltrico. [5] [6] Um sistema digital utilizado na automao de sistemas eltricos deve apresentar as seguintes funcionalidades: - Proteo: Detecta anomalias na rede e provoca seu isolamento para evitar propagao. - Intertravamento: Efetua o bloqueio de aes de comando em chaves, disjuntores ou seccionadoras em funo da topologia. - Funo monitorao: Disponibiliza para o operador os valores das medies realizadas, e tambm fornece informaes sobre o estado de seccionadoras, bancos de capacitores e etc. - Alarme: Basicamente notifica o operador da ocorrncia de irregularidade funcional de algum equipamento ou do sistema digital. - Comando remoto: Permite o operador realizar manobras dos equipamentos atravs de uma sala de comando, onde apresentado uma interface grfica e um diagrama unifilar da subestao. - Armazenamento de dados histricos: Armazena dados (medies, indicaes de estado, alarmes e aes do operador) em arquivos para permitir a anlise ps operativa no caso de irregularidades. - Grfico de tendncia: Disponibiliza a evoluo das grandezas analgicas ao longo do tempo. - Comunicao de dados: Oferece recursos para integrao dos diferentes equipamentos micro-processados. - Autodiagnstico: Realiza verificaes do funcionamento do hardware e software sistema SCADA. As anomalias encontradas so sinalizadas ao operador e includas no quadro de alarmes. - Manobras automticas: Procedimentos complexos que exigem vrias manobras encadeadas, sendo cada uma deles dependente da concretizao com sucesso da anterior. - Segurana e controle de acesso: Detecta a presena de pessoas no autorizadas atravs de sensores instalados nas portas e janelas do ambiente. - Parametrizao remota: Possibilita a substituio de valores de referncia (set point) e de outros parmetros funcionais, atravs de canais de comunicao de dados. Dessa18

disjuntores, chaves

forma, equipamentos como rels digitais de proteo, medidores, reguladores de tenso e outros equipamentos micro-processados, podem ser re-parametrizados remotamente para solucionar necessidades operacionais daquele instante. O Sistema de Superviso e Controle formado por nveis hierrquicos, identificados como: Centro de Operao do Sistema - COS Centro de Operao Regional - COR Unidade de Aquisio de Dados e Controle - UAC Centro de Operao de um conjunto de Subestaes - COS Centro de Atendimento de um conjunto de Subestaes - CAS Centro de Operao da Distribuio - COD Centro de Operao de um conjunto de Usinas - COU Centro de Atendimento de um conjunto de Usinas - CAU A Figura 2 abaixo representa o esquema da interao entre os nveis hierrquicos:

Figura 2 : Esquema da interao entre os nveis hierrquicos [5] O COS a hierarquia que contm as funes de alto nvel do sistema digital: - Otimizao da gerao e transmisso; - Anlise de segurana; - Programao hidroenergtica, previso de cheias e vazes efluentes nos reservatrios; - Previso de carga ligada, em base horria; - Fluxo de potncia;19

- Estimador de estado; - Controle de carga e freqncia; - Coordenao da manuteno. O COR um sistema que possui a interface homem-mquina (IHM) operada por um tcnico da rede regional, que tem a funo de atender as subestaes e usinas de uma regio. O operador, atravs da IHM, tem o conhecimento dos alarmes, da seqncia de eventos, das medies, e possui o poder de executar telecomandos. Dele partem por exemplo, os sinais de telecomando dos disjuntores, os sinais para partir e conectar um dado gerador na usina, e chegam todos os dados coletados nas UAC. Em outras palavras, no COR est a funo SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). [5] [6] Na UAC est a aquisio de dados e o comando de manobras do equipamento. Este nvel executa as seguintes funes: - Entrada de Dados Digitais: aquisio de informao sobre o estado ou posio de disjuntores (aberto ou fechado), de chaves, ou de equipamento ligado ou desligado; - Sadas Digitais: mudana de posio de contato aberto/fechado permitindo assim o telecomando de equipamentos e dispositivos (chaves, disjuntores etc.); - Entrada de Dados Analgicos: aquisio de valores de tenso, corrente, temperaturas, nveis de reservatrio e etc. - Sadas Analgicas: fornecimento de valores contnuos para ajuste da referncia (set point) de componentes eletrnicos dedicados de controle, como os reguladores de tenso e de velocidade de geradores, e sinais para medidores analgicos tipo ampermetros. Os dados relativos as UACs so comunicados aos COR via canal de telecomunicaes, geralmente por rede celular. No COD concentram-se as operaes da rede de distribuio de energia de uma regio, e tambm nas subestaes, cujo objetivo garantir o suprimento de energia ao consumidor. Em caso de ocorrncia de falha, o COD deve fornecer recursos como localizao do defeito, isolamento e restabelecimento do fornecimento de energia, no menor tempo possvel. Alm dessas funes, em manutenes programadas deve promover transferncias de cargas entre circuitos, com o objetivo de afetar o menor nmero possvel de consumidores. [5] [6]

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2.5 SUBSISTEMAS DE REDES DE DISTRIBUIO DE ENERGIA ELTRICAO sistema de informao da distribuio de energia eltrica constitudo basicamente por onze atividades operacionalizadas e integradas, so os subsistemas digitais. A Figura 3 abaixo apresenta a automao da distribuio, com a identificao e a forma de interao dos seus subsistemas. [5]

Figura 3 : Automao da distribuio e seus subsistemas [5] Esta combinao dos subsistemas apresentados acima o que possibilita uma empresa concessionria a monitorar, coordenar e operar seus componentes do sistema eltrico em tempo real. Em seguida, est a discrio detalhada de todos os subsistemas:

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2.5.1 SUBSISTEMA BASE DE DADOS COMUNS Este subsistema a base da informatizao da distribuio. Consiste num gerenciador de banco de dados que manuseia um grande nmero de informaes, sendo desta forma, a base da automao da distribuio. Para ser eficiente, este banco de dados deve dispor de uma linguagem de consulta fcil para o usurio e ser relacional para permitir a combinao de conjunto de dados. A depender da organizao da empresa, como por exemplo em regionais, necessrio que a base de dados seja distribuda conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4 : Distribuio da base de dados[5]

2.5.2 SUBSISTEMA COMERCIAL Este o subsistema utilizado para a emisso de contas dos consumidores, utilizando informaes como: cdigos do medidor/consumidor; tipo e dados pessoais do consumidor; consumo. A rea comercial tambm utiliza Informaes como a curva de carga para definir polticas de tarifao, conservao de energia e substituio de insumos energticos.

2.5.3

SUBSISTEMA DE ENGENHARIA

O subsistema de engenharia tem um papel vital na rea tcnica da rede de distribuio, formado essencialmente pelo Sistema de Gerenciamento de Rede e Auxlio ao Projetista, como poder ser visualizado na Figura 5.

Figura 5 : Subsistema Engenharia [5]22

O Gerenciamento de Rede constitudo de um banco de dados local que deve conter pelo menos as seguintes informaes: - Ligao eltrica dos consumidores, transformadores, circuitos, subestaes; - Localizao geogrfica dos postes, circuitos, transformadores, capacitores, chaves, religadores e consumidores; - Caractersticas eltricas dos circuitos, transformadores e dispositivos de proteo; - Fatores tpicos de planejamento e projeto (fator de carga, de diversidade, carregamento tpico de transformadores...) - Curvas de carga tpicas (residencial, comercial, industrial atravs do extrato de consumo) e fatores de potncia. Periodicamente o programa processado, quando computa a energia nos vrios equipamentos pela soma dos consumidores a eles ligados, calcula as suas curvas de carga com base em dados tpicos e determina se os carregamentos esto adequados ou no. Emite um relatrio indicando como a rede est sendo utilizada, permitindo assim a substituio de equipamentos carregados acima de sua capacidade, a relocao de cargas para carregar melhor outros equipamentos, etc O Auxlio aos Projetistas utiliza as informaes do banco de dados comum para desempenhar as seguintes tarefas: - Coordenao da proteo: mostra os tempos de atuao de vrias protees (reles, fusveis, religadores) para curto-circuito ao longo da rede; - Fluxo de potncia: clculo de quedas de tenso, e de correntes nos circuitos e nos transformadores; - Alocao de reativos e minimizao de perdas: indica os pontos de melhor eficincia para a instalao dos bancos de capacitores e os melhores taps dos transformadores da subestao para vrios pontos da curva de carga; - Projeo de carga e demanda: permite estimar cargas futuras de circuitos e subestaes, projetando a carga em seus vrios segmentos (residencial, industrial). - Projetos de alimentadores e subestaes: permite a locao dos postes no terreno ou ruas, e a emisso de desenhos construtivos de circuitos e subestaes. - Locao de chaves: permite definir pontos do alimentador primrio onde instalando um certo tipo de chave obtm-se uma reduo de energia cortada cujo valor compensa o custo da chave;23

comercial,

- Custeio: permite emisso de planilha de custo de novas instalaes e clculos econmicos comparativos.

2.5.4 SUBSISTEMA DE DIGITAO DE MAPAS A digitalizao de mapas utiliza tcnicas de cartogrfica, como a tecnologia SIG - Sistemas de Informaes Geogrficas para registrar atravs desenhos, os mapas com informaes dos locais (ruas, logradouros e etc) que esto instalados equipamentos, postes, subestaes e etc. Desta forma possvel de uma forma grfica gerenciar a rede de distribuio, e ao mesmo tempo levar informaes da base de dados para o SIG. Em seguida so apresentados exemplos de cinco mapas de uma rea, tendo como representaes: - Posio dos transformadores de uma rede na Figura 6 - Todos os transformadores na Figura 7 - Todos os transformadores subcarregados na Figura 8 - Postes com suas alturas e classes na Figura 9

Figura 6 : Posio dos transformadores de uma rede [5]24

Figura 7 : Todos os transformadores [5]

Figura 8 : Todos os transformadores subcarregados [5]

Figura 9 : Postes com suas alturas e classes [5]25

2.5.5

SUBSISTEMA DE SUPERVISO EM TEMPO REAL

Este subsistema desempenha um papel de extrema importncia na automao da distribuio, pois rene diversas atividades como: aquisio de dados, comando e controle em tempo real da rede de distribuio e tambm realiza a troca de dados com os nveis hierrquicos superiores (COS/COR). Conforme representado no diagrama abaixo na Figura 10, dividide-se em: Superviso e controle de subestaes; Superviso e controle de usinas; Superviso e controle da rede primria e secundria. [5]

Figura 10 : Subsistema de superviso em tempo real [5] 2.5.5.1 SUPERVISO E CONTROLE DE SUBESTAES As subestaes de distribuio so integradas ao COD, o que permite a troca de informaes entre si. Alm de realizar funes bsicas de um sistema SCADA, tambm capaz de executar as seguintes funes: [5] [6] - Religamento automtico: Algoritmo de controle que tenta restabelecer automaticamente a topologia da subestao no caso de abertura espontnea de disjuntor. - Controle de tenso e reativos: Lgica de controle que visa manter o nvel de tenso e o fluxo de reativos nos barramentos, dentro de limites preestabelecidos, atravs da alterao automtica de tapes de transformadores e a insero ou retirada parcial ou total de banco de capacitores. - Funo proteo: Monitora a atuao de rels, sendo que, para os rels convencionais efetuada atravs de contatos auxiliares. J para rels numricos, podem ser realizadas monitoraes via canal de comunicao de dados. - Registro seqencial de eventos: Registra a atuao de rels de proteo, abertura/fechamento de disjuntores e chaves seccionadoras.26

2.5.5.2 SUPERVISO E CONTROLE DE USINAS Os cogeradores (pequenos geradores distribudos pela rede de distribuio) fornecem dados importantes para o COD, como exemplo, a quantidade de energia gerada, ocorrncia de defeitos entre outros. Esta comunicao permite intervenes automticas de proteo aos geradores, quando em condies anormais. [5] [6]

2.5.5.3 SUPERVISO E CONTROLE DA REDE PRIMRIA ESECUNDRIA

Conforme a Figura 11 abaixo, este sistema faz a superviso e controle em tempo real da rede de distribuio, basicamente composto por: um sistema computacional central, unidades de aquisio de dados e controle (UAC) e um sistema de comunicao. [5] [6]

Figura 11 : Superviso de Rede [5] O sistema central responsvel pelo processamento de todas as informaes, e executa funes programadas como: - Controle de tenso e reativo (controle Volt/Var):

27

As UAC ao executar suas coletas de dados, como por exemplo, as tenses ao longo do alimentador, ento, possvel atravs do COD, conectar ou desconectar capacitores. Com esta funo tambm possvel controlar o fator de potncia do alimentador, melhorando assim, as condies do sistema de transmisso. [5] [6] - Controle de carregamento de alimentadores e transformadores na subestao: A Funo providencia remanejamentos de cargas, atravs da monitorao das correntes do sistema e da sua curva diria de carga. Desta forma, obtido um carregamento mais homogneo da rede e melhor utilizao dos circuitos e dos equipamentos. [5] [6] - Localizao, identificao e reparo de defeitos: Esta funo muito importante para a qualidade do servio de distribuio de energia e da segurana dos consumidores. Ao ocorrer um curto circuito na seo 2 da Figura 11, por exemplo, atua a proteo do alimentador 1 que abre o disjuntor na subestao deixando todos os consumidores deste circuito sem energia, esta rea ser ento atendida pela equipe da concessionria. Sendo que, ao chegar numa chave (NF) esta aberta, ento solicitada a ligao do disjuntor na subestao. Aps acionado o disjuntor, o mesmo permanecer ligado ou desligado, dependendo se o defeito est antes ou depois da chave aberta. Ento a equipe caminha na seco at localizar o defeito, reparando e energizando o trecho. [5] [6] - Monitorao, alarmes, telecomandos, emisso de relatrios: So funes que contribuem para elevar a eficincia na operao e no planejamento do sistema de distribuio. O Sistema Central fica localizado no COD, que pode ser regional ou global. As UAC so localizadas em pontos estratgicos da rede de distribuio, como sada de alimentadores, chaves automticas, bancos de capacitores, cargas importantes, tendo a funo de fazer aquisio de dados, atuar em chaves telecomandadas e transferir informaes ao Sistema Central. [5] [6]

2.5.6 SUBSISTEMA DE LEITURA AUTOMTICA DE MEDIDORES So medidores instalados nos consumidores para medir constantemente o valor do kWh consumidor. Possuem um sistema de comunicao para transferir ao Sistema Central, o valor do kWh naquele instante. Desta forma, permite uma maior rapidez na preparao da conta de luz do consumidor. [5] [6]28

2.5.7

SUBSISTEMA DE GERENCIAMENTO DE CARGA

O sistema de distribuio projetado para atender a carga dentro de critrios preestabelecidos. A carga crescendo no tempo, necessitando assim, a instalao de novos circuitos e equipamentos. Este subsistema permite o gerenciamento da carga no perodo de ponta, visando na liberao de capacidade das linhas e transformadores, trazendo desta maneira benefcios com a reduo dos custos com o consumo da energia. [5] [6]

2.5.8 SUBSISTEMA DE ATENDIMENTO RECLAMAES A Resoluo 456/2000 da ANEEL que estabelece, de forma atualizada e consolidada, as Condies Gerais de Fornecimento de Energia Eltrica, regulamenta em seu art 97 o prazo para que as concessionrias de Energia Eltrica atendam s solicitaes e reclamaes de seus clientes. Vejamos: Art. 97. A concessionria dever comunicar ao consumidor, no prazo mximo de 30 (trinta) dias, sobre as providncias adotadas quanto s solicitaes e reclamaes recebidas do mesmo. Pargrafo nico. A concessionria dever informar o respectivo nmero do protocolo de registro quando da formulao da solicitao ou reclamao, sempre que o atendimento no puder ser efetuado de imediato. A partir do telefonema dado pelo cliente, o atendente anota a reclamao e inicia o processo de atendimento ao cliente. Esse procedimento pode ser bastante melhorado atravs do uso de centrais telefnicas providas de microprocessadores de atendimento. Nessas centrais, o sistema monitora constantemente todas as linhas para detectar os pedidos de chamada. O atendimento implica na cesso de recursos para completar a chamada. Ao chegar a ligao (reclamao) na central telefnica, um aparelho especial identifica o nmero do telefone que est chamando, antes do atendente pegar o fone. Este nmero procurado no banco de dados, que permite localizar tambm o endereo fsico do telefone e a partir de ento, h o alocamento automtico do mapa do local no vdeo do computador. Assim, o sistema processa as informaes recebidas para definir as aes a serem tomadas j que o atendente tambm recebe informaes sobre a situao da rede

29

(em manuteno; ou com sada forada com a equipe de socorro a caminho, ou se esta a primeira reclamao). Se for verificada que a ocorrncia j foi identificada, o sistema permite o envio automtico de uma mensagem de voz gravada que permite ao cliente j satisfeito desligar o telefone. Caso esse ainda se sinta insatisfeito, pode permanecer na linha quando ser atendido pessoalmente pelo atendente que j tem na sua frente o vdeo com as informaes sobre o estado dos circuitos j citadas acima. Portanto, alm das vantagens bsicas que esse sistema oferece como otimizao do fluxo de informao permitindo maior agilidade e organizao, reduo de custos operacionais e administrativos e ganho de produtividade; maior integridade e veracidade da informao; maior estabilidade; maior segurana de acesso informao, esse sistema de vital importncia para a ocasio da manuteno programada, ou seja fornece uma resposta objetiva, segura e automtica ao consumidor do horrio previsto para o retorno da energia . Outra grande utilidade o envio automtico de mensagens gravadas a clientes que sero atingidos pela falta de energia. Por fim, pode-se perceber facilmente que o gerenciamento desse microsistema traz grande melhoria imagem da empresa, j que com a reduo do trafego na linha 196, a eficincia da equipe de atendimento aumentada, trazendo solues mais rpidas ao consumidor.

2.5.9 SUBSISTEMA DE LIGAO DE CONSUMIDORES Este subsistema similar ao anterior, atravs deste, o cliente pode solicitar aumento de carga, informaes diversas, solicitar religao normal ou de urgncia, dentre outros. Quando o cliente solicita a ligao, as informaes do local onde ser ligado j aparecem ao atendente que examina as condies da rede primria, transformadores, rede secundria e j providencia o documento para ligao. A concessionria deve apresentar uma soluo ao usurio dentro do prazo de 30 dias, contados a partir do registro da reclamao feita por telefone. Esse prazo fixado pela ANEEL. O consumidor tambm pode pedir uma religao de urgncia, mas nesse caso cobrada uma tarifa extra. Os prazos para atendimento a ligao ou aumento de carga, sem necessidade de estudo na rede so:30

Vistoria: tem-se o prazo de 3 dia teis a contar da data do pedido de fornecimento;

Ligao: O prazo varia, sendo de trs dias para unidades do Grupo B localizadas em rea urbana; 5 dias teis para unidades do Grupo B localizadas em rea rural; e 10 dias teis para unidades do Grupo A localizadas em rea urbana ou rural.

Os prazos para atendimento a ligao so contados a partir da data da aprovao das instalaes e cumprimento de demais condies regulamentares. Se for uma solicitao de fornecimento ou aumento de carga que requeiram estudo de rede de distribuio a concessionria tem 30 dias para unidades consumidoras do GRUPO B e 45 dias para unidades consumidoras do GRUPO A. Satisfeitas, pelo interessado, as condies estabelecidas na legislao e normas aplicveis, a Coelba iniciara as obras no prazo mximo de 45 ( quarenta e cinco dias).

2.5.10 SUBSISTEMA DE GERENCIAMENTO DE CONSTRUO Este subsistema contm os mdulos que permitem:

- Gerenciar o tempo e custo das construes; - Emitir relatrios de medies; - Emitir lista de materiais; - Controlar estoques de peas; - Atualizar o banco de dados geral, em seguida ao comissionamento.

Desta forma agiliza o processo das construes, que muito diversificado pelo fato das obras serem pequenas e em grande nmero. Para solicitar o servio, o consumidor dever estar com as instalaes eltricas de acordo com as normas tcnicas. Nos casos de consumidores a serem ligados em alta tenso ou edifcios com quatro ou mais Unidades Consumidoras, ser necessrio submeter o projeto das instalaes eltricas aprovao da Concessionria. As informaes necessrias ao solicitar o servio so:

31

Nome completo, nmero do CPF ou na impossibilidade deste, o nmero do Registro Geral (identidade) ou qualquer documento comprobatrio de identificao que contenha foto (ex: nmero e srie da Carteira de Trabalho, passaporte, carteira de habilitao e do Conselho Regional da profisso, etc.);

Endereo e ponto de referncia da Unidade Consumidora; Atividade principal de consumo (residencial, comercial, etc.); Previso de carga instalada - eletrodomsticos e/ou mquinas que existiro na Unidade Consumidora.

Caso o imvel esteja localizado em rea de preservao ambiental, apresentar licena emitida por rgo responsvel. OBS: Quando inexistir rede de distribuio em frente Unidade Consumidora a ser ligada ou a rede necessitar de manuteno ou ampliao ou o fornecimento de energia depender de construo de ramal subterrneo, considerar-se- estes casos como condies atpicas e os prazos de atendimento podero variar.

2.5.11 SUBSISTEMA DE MANUTENO A atividade de manuteno o conjunto de atividades tcnicas e administrativas cuja finalidade conservar, melhorar ou restituir um equipamento, sistema ou instalao condies que lhe permitam realizar suas funes. [5] [6] A manuteno sempre foi considerada um setor de suporte, com altos custos e sem produtividade para os negcios. Porem, nos ltimos anos, as indstrias mudaram seu posicionamento quanto a manuteno e vem adotando esta como estratgia de gesto empresarial, incorporando novas tcnicas e metodologias, sendo a principal ferramenta para a produtividade das indstrias. [5] [6] O procedimento de manuteno detalha o como a tarefa dever ser feita, ou seja, detalha as etapas da execuo da tarefa, as ferramentas utilizadas, os parmetros a serem ajustados e os cuidados a serem tomados, de forma que a tarefa seja executada da melhor forma possvel. [5] [6] Este subsistema permite listar periodicamente os equipamentos aos quais devero ser feitas as manutenes preventivas, indicando recursos, ferramentas, equipamentos de testes, bem como as manobras necessrias. As manobras para manuteno podem ser simuladas no caso que este sistema esteja integrado com os32

demais subsistemas. Esta integrao pode tambm tornar vivel um procedimento de manuteno preditiva uma vez que vrias informaes de equipamentos esto sendo coletadas e registradas (nmero de operaes de chaves, carregamentos, etc.). [5] [6] Permite tambm avaliar os ndices da rede e dos servios como DEC, FEC, taxas de falhas, tempos de reparos etc

2.6 CONFIGURAO DO SISTEMA DE DISTRIBUIOA Figura 12 abaixo representa uma configurao geral da interao entre as reas da automao de um sistema de distribuio. Neste sistema, a operao do COD utiliza dados distribudos na rea de concesso e envia comandos a diferentes pontos. O meio de comunicao utilizado na transferncia de dados entre o Sistema Computacional Central e as UAC de extrema importncia para a eficcia do sistema. [5] [6]

Figura 12 : Sistema de Informao da Distribuio [5]33

2.7

SISTEMAS DE COMUNICAO

Os sistemas de automao da distribuio de energia eltrica requerem a utilizao de um sistema eficiente e eficaz de comunicao para transmisso de sinais de dados e controle, entre os centros de controle e um grande nmero de UAC, medidores e IEDs (Dispositivo Eletrnico Inteligente, Ex.: Rel Digital). Existem diversos tipos de tecnologias de comunicao que podem atender essa necessidade, e a seleo do sistema de comunicao mais adequado a cada situao requer um completo entendimento de cada tecnologia de comunicao. As premissas de comunicao para automao da distribuio dependem da dimenso, complexidade e grau de automao desejvel para o sistema de distribuio. Destacam-se principalmente as seguintes caractersticas [7]:

- Confiabilidade da comunicao - Custo benefcio - Atender necessidades presentes e futuras de taxa de dados - Comunicao em duplo sentido (no necessria para algumas funes) - Operar em reas interrompidas / falhas - Fcil operao e manuteno - Conformidade com a arquitetura do fluxo de dados

2.7.1 TIPOS DE S ISTEMAS DE COMUNICAO UTILIZADOS NA AUTOMAO Os sistemas de comunicao utilizados na automao da distribuio, vistos pela tica das concessionrias, podem ser divididos em quatro categorias: aqueles que esto sob controle da concessionria e empregam as linhas de energia como meio de conduo do sinal; aqueles que esto sob controle externo e devem ser arrendados; os sistemas de rdio-difuso; e finalmente, os sistemas que requerem a instalao de um caminho para a conduo do sinal [7]:

34

A Tabela 4 apresenta as opes de comunicao disponveis: Tabela 5 : Tipos de Sistemas de Comunicao Utilizados

COMPARAO ENTRE TIPOS DE COMUNICAO

TIPO

MEIO TRANSMISSO

CONTROLE DA CONCESSIONRIA

CUSTO

CONFIABILIDADE

SENTIDO

TAXA

UTILIZAO

Carrier

Linha de distribuio Linha de distribuio Linha de distribuio Linha telefnica Cabo Espao livre Espao livre Espao livre Espao livre Espao Livre Fibra ptica

Sim

Mdio

Baixa

Duplo

Mdia

Baixssima

Ripple Control Zero Crossing Technique Telefone TV a cabo AM / FM VHF / UHF Satlite Microondas GPRS Fibra ptica

Sim

Mdio

Mdia

nico

Baixa

Baixssima

Sim No No No Sim No Sim No Sim

Mdio Alto Alto Mdio Mdio Alto Alto Baixo Alto

Mdia Mdia Mdia Mdia Mdia Alta Alta Mdia Altssima

Duplo Duplo Duplo nico nico Duplo Duplo Duplo Duplo

Baixa Alta Mdia Mdia Mdia Mdia Alta Baixa Altssima

Baixssima Baixa Baixssima Mdia Mdia Mdio Baixa Altssima Mdia

2.7.1.1

POWER LINE CARRIER - PLC

O PLC tambm chamado de DLC (Distribution Line Carrier) ou simplesmente Carrier teve sua utilizao iniciada nas linhas de transmisso em 1920. Desde ento, esta tecnologia tem se desenvolvido como uma tcnica de comunicao slida e confivel para sistemas de transmisso de energia. O sistema Carrier utiliza uma freqncia portadora para transmitir informaes atravs dos alimentadores existentes. Para as aplicaes nas linhas de transmisso, as freqncias portadoras operam na faixa de 20 kHz. A informao codificada sobre a portadora atravs do uso da amplitude modulada (AM) ou freqncia modulada (FM). O sinal modulado da portadora, na extremidade de envio, i1njetado na linha de transmisso at a extremidade de recepo. Na extremidade da recepo um capacitor de acoplamento e um demodulador separam o sinal de Carrier da freqncia da tenso de rede e extrai a informao

35

codificada do sinal. A linha deve ser dotada de dispositivos que no permitam que o sinal Carrier trafegue por caminhos indesejveis. [7] Nos sistemas de comunicao da distribuio empregam-se freqncias de 5 a 20 kHz. As linhas de distribuio so eletricamente complexas devido existncia de numerosos ramais, transformadores e capacitores. Isto pode atenuar a freqncia da portadora, dificultando a propagao confivel de um sinal atravs de um sistema de distribuio. Existe preocupao sobre o funcionamento do Carrier na distribuio durante faltas e atravs de reas com ligao interrompida. Nos sistemas de transmisso, o sistema Carrier no tem este problema, pois as fases remanescentes proporcionam um caminho adicional para este, pois o sinal se acopla pela capacitncia entre fases. O mesmo no pode ser dito quanto distribuio. [7] Equipamentos de by-pass permitem que os sinais de Carrier sejam enviados atravs de religadores e chaves, tornando possvel a comunicao em reas com conexo interrompida. O Carrier tem dois sentidos de comunicao, e econmico para implementar um nmero de funes tais como leitura de medio remota e recuperao de dados de carga de certos pontos no alimentador de distribuio [7]

2.7.1.2

CONTROLE DE R IPPLE

Este sistema trabalha de maneira similar ao Carrier. A informao codificada em uma portadora com freqncias menores, da ordem de 2 kHz. Uma vez que esta portadora tem freqncia mais prxima de 60 Hz da rede, comparado ao Carrier, ela se propaga atravs do sistema de distribuio com maior eficincia. O controle de Ripple, por ter uma menor freqncia, mais lento que o Carrier. A despeito disso sua taxa de dados ainda adequada funes de sentido nico de comunicao. Harmnicas do sistema de potncia podem interferir com esse tipo de comunicao [7] .

Figura 13 : Sinal Ripple e Onda Resultante36

2.7.1.3

TCNICA ZERO CROSSING

Essa tcnica de comunicao de duplo sentido se utiliza da linha de distribuio como meio de conduo do sinal que sincronizado com a passagem pelo zero da freqncia de 60 Hz, onde provoca uma distoro desta onda. Detectores em pontos remotos de controle no sistema de distribuio podem detectar esta mudana. Atravs das vrias passagens pelo zero, uma quantidade de bits pode ser transmitida.

2.7.1.4

TELEFONE

O telefone uma forma de comunicao de sucesso comprovado, altamente confivel que bastante empregada por concessionrias. O sistema telefnico proporciona uma alta capacidade de taxa de transmisso de dados. Comporta tambm a configurao de comunicao de duplo sentido, em circuitos exclusivos ou linha privada, porm com custo elevado, e as concessionrias no possuem controle sobre estes circuitos, nem sobre a qualidade da comunicao. O emprego de linhas telefnicas por discagem reduz os custos, comparados s linhas privadas alugadas, mas so muitos mais lentas devido ao tempo de discagem e portanto inadequado para a implementao de funes tais como deteco e isolao de faltas e restabelecimento do servio. As concessionrias continuam a procurar um sistema que fique sob seu controle. Alternativamente a concessionria de energia eltrica pode instalar pares de fios telefnicos na sua prpria rede ficando, desta forma, a comunicao e eventual manuteno sob seu controle. [7] [8]

2.7.1.5

TV A CABO

Em reas servidas pelos sistemas de TV a cabo estes podem ser usados tambm para comunicao de dados. Os sistemas de TV a cabo possuem faixa de freqncia com significantes pores no usadas. A automao da distribuio pode usar uma parte pequena de largura da faixa disponvel para suas funes de comunicao. O sistema de TV a cabo sofre das mesmas desvantagens do telefone, est sob controle externo e existem custos de aluguel associado com seu uso. Este sistema permite comunicao nos dois sentidos. [7] [8]

37

2.7.1.6

RDIO

O rdio uma tcnica vivel de comunicao para a Automao da distribuio. As tcnicas de rdio comunicao disponveis so: - AM - FM - VHF - UHF - MICROONDAS - SATLITE

AM (modulao em amplitude) O rdio com modulao em amplitude AM, pode ser utilizado para controle de carga por exemplo, usando as estaes de difuso AM para transmitir comando a um grande nmero de unidades de controle destas cargas. O sistema trabalha codificando a informao em uma onda portadora de difuso AM, usando modulao de fase e no detectvel por receptores de rdio comuns. Portanto os ouvintes de estao de rdio no notaro nenhuma degradao da qualidade da programao. [7] [8]

FM Um outro sistema de comunicao que as concessionrias podem usar a rdio difuso em FM. Os sinais so multiplexados na difuso FM por meio de uma sub portadora em freqncia modulada. Os rdios comuns no detectam este sistema mas receptores especialmente equipados podem decodificar a informao. FM um sistema de comunicao em um nico sentido como o sistema AM. [7] [8]

VHF O sistema utiliza ondas de rdio com freqncia entre 30 e 300 MHz. Os sinais VHF possuem cobertura limitada e so susceptveis a distoro de mltiplos caminhos e a sombras. [7] [8]

UHF Esse sistema opera em freqncias de 0,30 a 3 Ghz. No Brasil utiliza-se geralmente a faixa de 300 a 450 MHz para estas aplicaes das concessionrias. O sistema UHF mais susceptvel a absoro atmosfrica, distores de mltiplos38

caminhos e efeitos de sombras que o sistema de rdio em baixa freqncias. Por outro lado, esse sistema tem mostrado ser confivel e menos sujeito a interferncias entre servios concorrentes. As taxas de transmisso de dados neste tipo de comunicao podem ser da ordem de 9600 baud (numero de mudanas na linha de transmisso, em amplitude, freqncia ou fase). A propagao dessas freqncias essencialmente direcional e por este motivo no uma alternativa vivel em reas montanhosas. [7] [8]

Microondas A comunicao por microondas apesar de estar na freqncia entre 0,3 a 300 GHz, mais utilizada na faixa acima de 1 GHz. Sua aplicao em sistemas de automao na distribuio no comum, exceto como ligao final entre UAC da subestao e o COD; isto se deve ao seu alto custo e complexidade de montagem do sistema com microondas [7] [8]

- Satlite Atualmente a maioria das comunicaes por satlite so realizadas por meio de um satlite em rbita geoestacionria. Os satlites possuem transmissores /receptores que recebem um sinal e o transmitem em uma freqncia diferente. Devido a sua grande altitude (distncia) proporcionam difuso de sinal de cobertura uniforme. Para ser empregado necessrio alugar ou possuir um transmissor-receptor no satlite e possuir o equipamento de conexo. As freqncias de microondas so comumente empregadas para essa conexo. Algumas concessionrias esto usando com sucesso os satlites para o sistema de superviso da gerao/transmisso. Devido ao atraso inerente, no podem ser usados para funes que necessitam da resposta em tempo muito rpida. [7] [8]

2.7.1.7

GPRS

A tecnologia GPRS um servio para o envio e recepo de dados, utilizado para a prestao do servio de Internet atravs das redes de comunicao celular GSM. O transporte de dados neste servio feito atravs da modalidade de comutao de pacotes. Esta modalidade permite que se estabelea uma conexo somente quando h informaes sendo trafegada pela rede, no monopolizando o canal de comunicao. Desta forma, o servio GPRS oferece, alm de outros benefcios, uma taxa de transmisso que na prtica pode chegar at 40 kbit/s e uma tarifao baseada no volume39

da informao trafegada. O uso desta tecnologia neste projeto possibilita maior flexibilidade para conexo do sistema, podendo alocar o dispositivo em qualquer regio onde no possvel ter acesso a outros meios de conexo com a rede. Outra vantagem que o sistema pode estar sempre conectado, sem a necessidade de um canal exclusivo de comunicao, mas a velocidade de transmisso de dados via Internet por GPRS pode ser considerado uma desvantagem em certas aplicaes, porm neste projeto a velocidade no um ponto crtico, j que o volume de informaes pequeno [9][10][11]

2.7.1.8

FIBRA TICA

Atualmente um grande nmero de concessionrias no mundo tem ligaes por fibras pticas para voz, superviso de transmisso, e tarefas de proteo. Porm no significativo o uso destas fibras pticas para a comunicao na distribuio. Para companhias de telecomunicao que necessitam de taxa de transmisso da ordem de 1 bilho de bounds, as fibras pticas aparecem como uma escolha econmica. Para a automao da distribuio apenas, onde a taxa de dados menor que 1000 bounds, a comunicao por fibra ptica pode perder sua vantagem econmica. [12]

2.7.1.9

SISTEMAS HBRIDOS

Para adequar a arquitetura do fluxo de dados de um sistema de automao da distribuio, pode ser necessrio usar um sistema de comunicao hbrido composto de mais de uma das tcnicas de comunicao discutidas. Os sistemas de comunicao hbridos tem a vantagem de aplicar a melhor tcnica de comunicao ajustada a cada caminho de sinal. Na figura 14 est esquematizado uma comunicao hbrida. [10][15]

Figura 14 : Comunicao hbrida [10]40

2.8 ESTUDO DO PADRO IEC 61850 E SEUS PROTOCOLOS DE COMUNICAO EM REDES DE DISTRIBUIOTem se tornado cada vez mais freqente a migrao de redes de automao isoladas, intituladas ilhas de automao, para redes integradas e interconectadas, na configurao de sistemas distribudos. A norma IEC 61850 atende configurao de redes Ethernet, fazendo com que todos os IEDs possam compartilhar dados, mensagens e comandos com altas taxas de transmisso de dados em um sistema distribudo, com funes bem definidas de proteo, controle e automao de processos, provendo confiabilidade, disponibilidade e requisitos de sistemas de tempo real. O objetivo deste captulo, portanto, estudar o padro IEC 61850 e seus protocolos de comunicao em automao redes de distribuio, quanto arquitetura de novos sistemas de proteo e automao eltrica, no que tange a aspectos de comunicao e tolerncia a falhas em sistemas distribudos. [13][14] Os Sistemas de Automao de Redes de Distribuio (SARD) tm evoludo com relao ao desenvolvimento de tecnologias para otimizar a automao e o controle distribudo, com a substituio dos antigos rels de proteo por Dispositivos Eletrnicos Inteligentes (IED). Como estes IEDs tm alta capacidade de processamento e armazenamento de dados, eles so, por definio, computadores ligados em redes locais de subestao (SLAN) que trazem confiabilidade rede, sem necessariamente onerar a operao. Para estabelecer as regras para a troca de mensagens em redes locais necessria a adoo de protocolos de comunicao; a IEC 61850 traz a grande vantagem da interoperabilidade entre dispositivos de fabricantes diferentes e todas as outras vantagens advindas da adoo de um protocolo aberto, tais como: o aumento da produtividade dos dispositivos e do sistema de uma forma completa; a reduo de custos e menor custo total para o usurio (viabilizando uma sensvel reduo com investimentos a mdio e longo prazos, o que gera menos custos de implantao e manuteno); bem com o aumento no desempenho de segurana e a disponibilidade de dados em tempo real, trazendo maior confiabilidade da rede e otimizao de desempenho.41

Este novo sistema baseado em uma rede de IEDs e switches pticos gerenciveis, com redes de comunicao em protocolo aberto, de normalizao internacional IEC, padro Ethernet, TCP/IP.

2.8.1 VISO COMPARATTIVA ENTRE S ISTEMAS DE AUTOMAO INDUSTRIAL PREDECESSORES E O NOVO PADRO IEC 61850 E SEUS P ROTOCOLOS DE COMUNICAO Desde quando este padro foi lanado pela IEC (2003), o avano da aplicabilidade dos seus protocolos tem sido cada vez maior; tal fato se explica, dentre outras razes, pela alta confiabilidade em sistemas distribudos com requisitos de tempo real (graas a comunicaes tipo multicast via Eventos de Subestao Orientados a Objetos Genricos - GOOSE) e pelo atendimento aos requisitos de operao, projeto, montagem, planejamento e manuteno de redes industriais de subestaes, os quais sero detalhados a seguir [16]. SAS predecessores geralmente consistem num sistema de monitoramento e controle centralizado num Centro de Operaes, baseado em Unidades Terminais Remotas (RTU), que supervisionam centenas ou at milhares de pontos discretos. Estas RTUs so interligadas atravs de uma Via de Comunicao de Dados com configurao em anel; o protocolo utilizado na rede de comunicao de dados geralmente do tipo proprietrio, elaborado pelo fabricante do sistema e especfico para cada modelo do SAS. Alm disso, quando alcana seu estgio classificado como clssico pelo fabricante, passa a estar fora da linha normal de fabricao (o que implica em dificuldades para o usurio em obter sobressalentes) [17]. O novo sistema de automao industrial, baseado no padro IEC 61850, visa utilizar IEDs interligados atravs de switches pticos, cuja constituio de uma rede de comunicao de dados, que interliga tais switches e cabos de fibra ptica na topologia anel bidirecional. Ainda pode ser prevista uma segunda rede, dedicada ao sincronismo de tempo e uma terceira rede, constituda por IEDs de proteo de equipamentos eltricos, como motores [17]. A simplificao do projeto eltrico e relativa simplicidade na implantao do sistema so fatores que influem diretamente na economia na aplicao de material para montagem da rede (infraestrutura de cabos) e na diminuio do emprego de dispositivos e equipamentos para integrao com o sistema de superviso, controle e proteo. Alm disso, esta simplificao, que provm sobretudo da padronizao, leva reduo de42

custos com manuteno e maximiza a escalabilidade do sistema. Some-se a isso a facilidade de implementao de novos automatismos, tornando possveis alteraes de lgicas de programao e parametrizao de dispositivos, que por sua vez, favorecem a maior disponibilidade de pontos de superviso e comando, facilitando a operao. Finalmente, a aquisio de dados remotamente e em tempo real conduz confiabilidade do sistema, com a redundncia da comunicao [16]. Contudo, a reestruturao de redes de automao para o novo padro no um processo rpido e sem desafios a serem enfrentados; na fase de projeto, a simplificao na elaborao de projetos eltricos devido nova filosofia do sistema de superviso, controle e proteo traz consigo a necessidade de tomada de decises mais sistemticas, com informaes mais detalhadas, que afetam diversas partes do sistema (devido integrao deste tipo de redes) [16]. Junto com a possibilidade de implementar novas necessidades de acesso e controle remoto, tambm surge a necessidade de desenvolver contramedidas de segurana eficazes, para proteo da rede contra acessos no-autorizados; em outras palavras, ameaas e ataques de segurana da informao, de forma geral, podem certamente afetar a disponibilidade das informaes e confiabilidade da rede. Alm disso, para o planejamento da manuteno, como as informaes relacionadas ao sistema neste novo panorama so mais completas, uma consequncia direta uma maior assertividade na deteco de falhas e diminuio no tempo de indisponibilidade do sistema, levando alterao do plano global de manuteno [16].

2.9 ARQUITETURA TPICA DE UMA REDEAUTOMATIZADA

SLANs so criadas a partir da conexo entre IEDs. Fisicamente, podem ser usados diversos meios fsicos, como fibras pticas, cabos de cobre ou ar (conexo sem fio). A Figura 15 ilustra uma arquitetura tpica de uma rede de automao industrial; nesta SLAN existem basicamente duas LANs separadas: a rede local da estao e rede local do processo ou de barramento. A LAN da estao conecta todos os IEDs uns aos outros e a um dispositivo roteador ou outro, para a comunicao fora da subestao, em uma rede metropolitana (WAN); a LAN do processo transmite as informaes processadas do sistema de potncia (amostras de tenso e corrente dos equipamentos e o43

estado dos instrumentos e equipamentos), a partir de instrumentos de medio, para os rels ou IEDs, onde so processados os dados e realizadas as tomadas de deciso. Para a rede local do processo, desenvolvimentos futuros podem incluir unidades

microprocessadoras de aquisio de dados (DAUs), as quais atuaro como os atuais Transformadores de Corrente (TCs) e Transformadores de Potencial (TPs). Estes dados so transmitidos atravs de mensagens trocadas entre os IEDs, em vez do mtodo tradicional de rels com fiao de cobre; quando esses dados so transmitidos atravs de conexes de fibra ptica, e.g., o isolamento fornecido entre as DAU e IED. Comunicaes ponto a ponto (Peer-to-peer) so realizadas atravs de ligaes diretas ou atravs de uma conexo fsica direta, passando por vrias conexes de rede. Neste ponto, a adoo de redes locais virtuais (VLANs) contorna algumas limitaes fsicas da interconexo entre os dispositivos.

Figura 15 : Arquitetura tpica de uma rede de automao industrial segundo o padro IEC 61850. Cada subrede tem seus IEDs conectados a switches pticos, geralmente atravs de fibra ptica, numa configurao distribuda (estrela). No sistema de proteo e automao eltrica a ser implementado, outra arquitetura tambm recomendada para a interligao entre os switches a arquitetura em anel bidirecional, pois caso um link seja interrompido, possvel manter todo o44

sistema funcionando, aps os switches serem reconfigurados e as conexes reestabelecidas [17]. Para o correto funcionamento das trocas de mensagens entre IEDs, faz-se necessrio que todos os IEDs adotem o mesmo mtodo. Recomenda-se a adoo de uma Rede Local Virtual (VLAN) do tipo Tag, a qual permite a utilizao de roteadores de rede e a possibilidade de segregar vrios rels dentro de uma estrutura de comunicao restrita e segura [17]. O fato da norma IEC 61850 prever o uso da Ethernet torna uma rede de automao ainda mais prxima da configurao de uma rede de escritrio. Neste ponto, a escolha da topologia da rede essencial; adotar uma topologia estrela, por exemplo, traz diferenas fundamentais no projeto, quanto confiabilidade, performance, latncia da rede e custo de dispositivos [18]. Alm disso, existem outros requisitos que devem ser previstos na fase de projeto para o uso da Ethernet, os quais so [18]:

- Rpida resposta na rede de automao e proteo, em caso de falha de dispositivos; - Ferramentas e mecanismos que visem garantir a performance e continuidade das comunicaes dos dispositivos em caso de alto fluxo de dados (data storm) e ataques de negao de servio (denial of service); - Sobrecarga acidental de dados na rede, causada por nova conexo de IED ou teste de dispositivos.

2.9.1 ELEMENTOS FSICOS E LGICOS DE UMA REDE DEAUTOMATIZADA

O objetivo do protocolo IEC 61850 permitir uma integrao de informaes de campo utilizando padres no proprietrios, atravs de trs mecanismos principais [17]:

Modelos de objetos: Os quais definem a modelagem de dados orientados a objetos, i.e., informao, cujas funes de automao de subestaes so subdivididas em subfunes ou ns lgicos (LN), os quais podero ser alocados em diferentes dispositivos lgicos (LD).

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Um LN uma coleo de objetos de dados, incluindo dados relacionados configurao, atributos descritivos, de controle e histrico de eventos. Classes de LNs, objetos de dados e seus relacionamentos no contexto de subestaes servem para construir nomes e grupos hierrquicos que referenciam objetos em IEDs [17].

Os LNs so projetados para representar aparatos de monitoramento e controle do sistema de potncia, sem necessariamente especificar quais IEDs, mas sim sua funo. Isto foi feito intencionalmente, de forma a garantir a interoperabilidade entre fabricantes distintos. Assim, uma simples multifuno IED pode servir LNs para vrias aplicaes, como proteo, controle, medio ou monitoramento [16][17][18]

Servios de comunicao: Integram a Interface de Sistema de Comunicao Abstrato (ASCI), os quais so agrupados em dois modelos; o primeiro do tipo cliente-servidor (o qual permite o acesso e a notificao automtica de informaes, bem como transferncia de arquivos e sequncia de eventos) e o outro o modelo de comunicao de eventos (orientado para a aplicao de proteo entre IEDs) [17];

Linguagem de Configurao da Subestao (SCL): Destina descrio das capacidades dos IEDs e descrio do Sistema. A SCL descreve a modelagem dos objetos atravs da estrutura primria do sistema, do sistema de comunicao e das aplicaes no nvel de comunicao. O modelo de objeto apresenta trs nveis de objetos bsicos que so a subestao, o produto e a comunicao. [17]

Arquivos SCL so criados como o objetivo de padronizar o mtodo de descrever as funcionalidades de comunicao de IEDs. Estes arquivos simplificam as configuraes de nomes na IEC 61850, provendo o relacionamento entre LNs e mensagens do tipo Eventos Genricos da Subestao (GSE) [18][19]. A maior parte das tarefas de configurao no est endereada, i.e., a parte do projeto da rede que envolve intertravamento, proteo distribuda e automao especializada no foi endereada no padro; assim, esta lgica de programao precisa ser criada e instalada em cada IED e nenhuma ferramenta ou padronizao existe para projetar ou criar alocaes GSE associadas ou de lgica distribuda [18][19].

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2.9.2 OBSERVAES DE PROJETO PARA SLAN IEC 61850 2.9.2.1 IMPACTO DO PROJETO PARA PROTEO DAS COMUNICAES

Na fase de projeto deve-se garantir que o trfego de mensagens na rede seja tal que reduza ao mximo a quantidade de mensagens a serem processadas pelos IEDs; alm disso, cada IED deve ser tolerante a falhas e a ataques de segurana da informao tanto quanto possvel, a fim de que continuem em pleno funcionamento mesmo quando a rede for atacada [16][20]. Deve ser prevista uma configurao do sistema de proteo e automao eltrica, tal que o Sistema Digital de Controle Distribudo (DCS) seja interligado diretamente rede de IEDs de proteo e controle dos equipamentos. Um DCS tem como funo primordial o controle de processos de forma a permitir uma otimizao da produtividade industrial, estruturada na diminuio de custos de produo, melhoria na qualidade dos produtos, preciso das operaes, segurana operacional, dentre outros. Ele composto basicamente por um conjunto integrado de dispositivos que se completam no cumprimento das suas diversas funes, como o controle e superviso do processo produtivo da unidade [17][20]. Esta configurao deve levar em considerao que os equipamentos na rede de automao industrial so crticos, i.e., esto diretamente relacionados com o processo e, portanto, necessitam ser monitorados e controlados continuamente pelo DCS [17][20]. Este, por sua vez, interligado atravs de switch ou conversor de protocolo de comunicao, rede comunicao eltrica dos IEDs de proteo dos equipamentos, atravs do protocolo MODBUS ou PROFIBUS [17][20]. Todos os comandos para disjuntores, contatores e chaves seccionadoras motorizadas so realizados via IEDs, diretamente por botes no frontal do dispositivo de proteo ou remotamente pelas estaes de operao. Os equipamentos instalados nos centros de distribuio de cargas so ligados e desligados remotamente pelos respectivos IEDs; j os equipamentos de pequeno porte so instalados em centro de comando de motores do tipo inteligente o qual conectado ao DCS, de onde recebem os sinais de partida e parada remota. Uma observao importante que os sinais de comando liga/desliga de segurana devem atuar diretamente nas bobinas dos disjuntores ou contatores, sem depender da atuao dos IEDs.

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2.9.2.2

INTERLIGAO DE SWITCHES PTICOS, IEDS E EQUIPAMENTOS

importante que todas as portas dos switches sejam parametrizadas com padro FULL-DUPLEX. Este padro permite que a porta envie e receba dados ao mesmo tempo, sem a necessidade de um token ou permisso para falar; alm disso, com a parametrizao FULL-DUPLEX, h uma tendncia da taxa de colises cair consideravelmente e de reduzir a taxa de mensagens perdidas [17][20].

2.10 ASPECTOS DE COMUNICAO E TOLERNCIA AFALHAS EM SISTEMAS

DISTRIBUIDOS

2.10.1 MNIMO TEMPO DE RESPOSTA NAS COMUNICAES UTILIZANDO GOOSE A digitalizao das comunicaes e a substituio do cabeamento fsico de pares de cobre por fibras pticas, e.g., fazem com que os tempos de resposta de sinalizao de um dispositivo sejam sensivelmente mais curtos; somando-se a isso, a remoo de informaes redundantes do cabealho, preservando o teor da informao (entropia), colabora para a reduo de colises na transmisso de dados na rede [19][20]. Isso acontece porque os atrasos relacionados atuao dos comandos eletromecnicos (abrir e fechar os contatos), s repeties do sinal por diversos dispositivos e elementos do circuito e sua filtragem so evitados pelo uso de mensagens GOOSE [19]. A melhoria no desempenho das redes de automao industrial com a adoo dos protocolos dispostos no padro IEC 61850 tambm promove a possibilidade de desenvolver mecanismos de proteo mais rpidos e coordenados, garantindo confiabilidade, continuidade das operaes e segurana [19][20]. Como as mensagens GOOSE so orientadas a objetos, no existe uma configurao dedicada a cada dispositivo; a adoo deste tipo de linguagem traz a vantagem da simplificao, pois trata as funes dos dispositivos em seu lugar. Como este tipo de mensagens tm alta prioridade de transmisso na rede, servem para monitoramento constante das caractersticas da rede, e pela sua criticidade, do

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subsdios para que se tomem medidas como mudana de modo de segurana contra falhas ou podem levar at ao bloqueio de certas funes [19][20].

2.10.2 ASPECTOS DE COMUNICAO E ANLISE DE DESEMPENHO DE MENSAGENS GOOSE As mensagens GOOSE devem ter um desempenho adequado aos requisitos de tempo real, sobretudo em redes Ethernet, que so no confiveis, o que por si s j traz uma condio difcil de carga de transmisso de dados. Em redes com fiao de cobre, basicamente trs fatores so limitantes para o atraso na propagao do sinal [19][20].:

a)

Atrasos devido ao fechamento de contatos eletromecnicos (abrir e fechar);

b)

Atrasos quanto ao tratamento do sinal (repetio, filtragem);

c)

Atrasos quanto ao processamento do sinal (dispositivos eletromecnicos tm limites de frequncia de chaveamento de comandos e sinais).

Numa SLAN, os IEDs de um mesmo grupo tero basicamente a mesma viso multicast das mensagens GOOSE; a adoo de filtros de mensagens no nvel de hardware, nestes casos, visa administrar as altas cargas na rede de comunicao [4] [5]. O principal objetivo da comunicao em grupo (multicast) resolver os problemas de inconsistncias entre processos distribudos que cooperam na execuo de uma tarefa, garantindo a correo da comunicao, apesar da ocorrncia de falhas [6]. importante que os grupos que troquem mensagens GOOSE sejam fechados, pois isso significa que s os membros do grupo podero enviar mensagens para o grupo, vetando a processos fora do grupo o envio de mensagens [21].

Especificamente na implementao de multicast, enviada uma nica mensagem ao grupo, a qual replicada para todos os seus membros. Entre seus componentes principais, esto [21]:

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Endereamento consiste na seleo do caminho das mensagens, desde a origem at seu destino final, de forma a minimizar ao mximo o impacto do nmero de mensagens trocadas com a latncia do multicast;

Tolerncia na omisso mensagens perdidas ou corrompidas possuem transmisso redundante ou retransmisso, alm da tolerncia na omisso atravs de mensagens ACK (acknowledgments), para deteco de erros;

Controle de fluxo minimiza a perda de dados oriunda pela limitao do buffer de entrada e sada; Recuperao de falhas estipula ordem e prioridades para estabelecer um critrio de confiabilidade na transmisso de dados.

O envio de dados em mensagens GOOSE baseado em eventos, e, portanto, sempre que h um novo evento, uma mensagem enviada ao grupo (multicast) repetidas vezes, a fim de garantir que os dados efetivamente sejam recebidos. Existem limites inferiores e superiores pr-definidos (tempo mnimo e mximo,

respectivamente). Este fato contribui para a confiabilidade na transmisso das mensagens, mesmo num canal inseguro, como a Ethernet [19][20]. Alm disso, os dados transmitidos tm atributos qualitativos, usados na interpretao do valor de entrada no lado do receptor. Estes dados so utilizados para detectar falhas em outros IEDs e levar os dispositivos de rede a atuar adequadamente. Assim, sempre que dados suspeitos, i.e. que no correspondam a um padro antifalhas pr-configurado so detectados, os IEDs receptores optam por no atualizar seus arquivos com os dados invlidos, a fim de no ferir a confiabilidade e integridade das mensagens [19][20].

2.10.3 ASPECTOS DE TOLERNCIA A FALHAS ; PROTEO RPIDA , CONFIVEL, ADAPTATIVA E FLEXVEL A adoo de mensagens GOOSE contribui para um ganho na velocidade operacional em relao aos esquemas clssicos com fios de cobre de 30% a 50% [19]. A funo mais bsica de proteo consiste em, uma vez que ocorra falha em determinada funo no sistema eltrico (alimentador de sada, e.g.), um IED de proteo ser capaz de bloquear o estgio de entrada e sada, de modo a isolar a falha [19][20]. Com a transferncia de mensagens GOOSE entre os IED de uma SLAN, os sinais de bloqueio e proteo so transmitidos diretamente entre os IEDs sem atrasos50

adicionais de dispositivos eletromecnicos ou filtros no sistema eltrico. Assim, com o uso de mensagens GOOSE, o tempo operacional total da proteo do barramento independe do nmero de IED de proteo e controle envolvidos e da complexidade do sistema, devido s prprias caractersticas do envio de mensagens tipo multicast no lugar do envio de vrias mensagens especificamente para cada dispositivo [19][21]. Alm disso, os IEDs tm definidos estgios de proteo diferenciados, o que possibilita a configurao de nveis de proteo e bloqueio a depender da necessidade, podendo ser determinados livremente. Assim, o alcance do estgio de proteo em uma situao de falha no precisa ser considerado quando os ajustes de proteo esto determinados. Essas caractersticas fazem dos esquemas de bloqueio um meio til e eficiente de implantao de proteo de alta velocidade de barramentos em subestaes de distribuio [19][20].

2.10.4 A IMPORTNCIA DA ADOO DE MEDIDAS DE SEGURANADA INFORMAO EM REDES DE AUTOMAO INDUSTRIAL

Firewalls, sistemas de deteco de intruso (IDS) e anti-vrus geralmente protegem computadores desktop contra a maior parte das ameaas de segurana da informao, mas instalaes crticas industriais tm PLC, RTU, i.e., sistemas dedicados com protocolos de comunicao igualmente dedicados. Estas tecnologias tradicionais no protegem adequadamente os chamados sistemas de produo. Algumas particularidades deste tipo de sistemas que os problemas precisam ser administrados em tempo real e os dispositivos eletrnicos da rede no so considerados elementos ativos nas tcnicas de deteco e filtragem [22]. Os principais protocolos de comunicao utilizados (Modbus, DNP3, ProfiBUS) foram concebidos sem a menor preocupao com a segurana, com exceo do DNP3 aps a reviso DNPSec, o qual tenta resolver alguns problemas de segurana conhecidos de protocolos de controle mestre-escravo, como integridade de comandos, autenticao e no-repdio do emissor [22]. Uma arquitetura segura, sobrevivente a ataques, deve, entre outros: garantir a assinatura com um protocolo de comunicao (para garantir a integridade dos dados transmitidos entre mestre e escravos), prever um intervalo de tempo entre entre pacotes, com a finalidade de evitar responder a ataques e adotar um firewall concebido para sistemas SCADA, a fim de detectar se um pacote legal pode ou no ser autorizado [22].51

2.11 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA AUTOMAODAS REDES DE

DISTRIBUIO

2.11.1 CHAVES AUTOMTICAS 2.11.1.1 ESPECIFICAES TCNICAS E FUNCIONAMENTO As chaves seccionadoras automticas so dispositivos projetados para operarem em conjunto com um religador, ou com um disjuntor comandado por rels de sobrecorrente dotados da funo de religamento [1]. Atualmente os sistemas de controle dessas chaves so digitais ou microprocessados, que realizam multifunes: proteo, medio (correntes, potncias, fator de potncia, etc.), registros de eventos (nmero de interrupes, tempo de durao de interrupes, natureza da interrupo, etc.). Estas informaes so colhidas do circuito ao qual esto conectados, atravs de redutores de corrente e tenso (TCs e TPs). Mecanicamente, se comportam como chaves de manobras automticas projetadas para aberturas ou fechamentos, com carga (possuem meios de interrupo de arco: SF6 , cmara de vcuo), no local ou remotamente (atravs de unidades remotas interligadas por sistemas de comunicao). No possuem capacidade de interrupo de correntes de curtos-circuitos. As interrupes destas correntes so feitas pelo religador ou disjuntor de retaguarda, comandado por rels com as funes 50, 51 e 79 [1]. Atualmente novas chaves automticas esto sendo utilizadas com uma funo seccionalizadora que se desenvolve da seguinte forma: a cada vez que o interruptor de retaguarda efetua um disparo ou abertura (desligamento do circuito), interrompendo a corrente de falta, o seccionalizador conta a interrupo, aps atingir o nmero de contagens previamente ajustado (uma, duas ou, no mximo, trs), o seccionalizador abre os seus contatos, sempre com o circuito desenergizado pelo interruptor de retaguarda, isolando o trecho defeituoso sob sua proteo, do restante do sistema [1]. Para melhor esclarecimento, considerem-se as seguintes condies para o circuito representado na Figura 16 uma falta permanente F, na zona de proteo do religador e do seccionalizador, o religador est ajustado para quatro disparos; e o seccionalizador est ajustado para trs contagens. Portanto, o seccionalizador dever

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isolar a rea defeituosa (toda a rea a jusante), logo aps o religador efetuar o terceiro desligamento [1].

Figura 16 : Seccionalizador ligado a jusante do religador [1].

Figura 17 : Princpio de coordenao religador x seccionalizador [1]. importante observar, conforme foi dito anteriormente, que no momento da abertura do seccionalizador (aps a terceira contagem), o circuito est desenergizado pelo religador. Portanto, o mesmo ir limpar a rea defeituosa sem a necessidade de interromper a corrente de curto-circuito. Isto um atributo bastante inteligente, pois, no necessrio dotar o seccionalizador de alta capacidade de interrupo de curtocircuito, o que torna-o mais barato do que um religador ou disjuntor [1].53

De acordo com o princpio de operao do seccionalizador, deve ficar claro que o seu funcionamento, como dispositivo de proteo, depende de duas condies bsicas: a) Na sua retaguarda dever estar instalado um interruptor que realize disparos e religamentos automticos; b) Os dispositivos sensores desses interruptores devero atuar para todos os curtos-circuitos na zona de proteo do seccionalizador, comandando, portanto, as aberturas e fechamentos desses interruptores e, consequentemente, levando o seeccionalizador a desenvolver as suas contagens, que, transcorrido o nmero previamente ajustado, abrir seus contatos, isolando o trecho defeituoso. Se o interruptor ligado retaguarda do seccionalizador no possuir a funo de religamento, este ir funcionar como uma chave automtica de manobra, sem a funo de proteo, podendo ser aberto ou fechado com carga, no local ou remotamente. A abertura dos contatos pode ser feita de duas maneiras: automaticamente, quando o seccionalizador realiza a funo de proteo ou pela a ao do operador, no local ou remotamente. Uma vez abertos, s podero ser fechados atravs de comando dado pelo operador. So instalados em postes do circuito principal do alimentador ou de derivaes longas e carregadas que justifiquem o investimento. cada vez mais comum a substituio de chave-fusvel instalada no alimentador, que est apresentando problema de coordenao com o religador, e de chaves de manobra, a leo, convencionais, por seccionalizado