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AUTOMAÇÃO ELÉTRICA COM IEC 61850 O Padrão IEC 61850 na Visão da Automação Industrial para Sistemas Elétricos

1 MÁRCIO VENTURELLI

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Márcio Venturelli

AUTOMAÇÃO ELÉTRICA COM IEC 61850

O Padrão IEC 61850 na Visão da Automação Industrial para

Sistemas Elétricos



Foi o tempo em que a área de elétrica e área de automação

industrial eram tratadas de forma separada na indústria, com a

evolução dos dispositivos de comando e controle, as redes

industriais e seus protocolos, somado à busca pela simplificação

de operação, temos um cenário de convergência de sistemas,

automação e elétrica fazendo parte de um mesmo projeto.

Afim de demonstrar uma visão da Automação Industrial,

utilizando-se o Estado da Arte na área de elétrica,

especificamente o Padrão IEC 61850, que é o responsável pela

simplificação e potencialização dos controles nos sistemas

eletricidade de potência atualmente.

Nosso objetivo aqui não é esgotar o assunto, mas sim colocar

foco em como a área de automação deve entender o Padrão IEC

61850, vendo principalmente, a convergência dos dois setores,

entendendo principais conceitos de funcionamento desta rede de

comunicação para área de elétrica.

Não faz parte do escopo de nosso texto, demonstrar os sistemas

de proteção e controle para elétrica e também detalhar Padrão

IEC 61850 no aspecto programação dos sistemas.

Especificamente, vamos focar e dirigir o assunto baseado na rede

de dispositivos, entendendo que os sistemas elétricos são

compostos por IED (Intelligent Electronic Device) ou Dispositivo

Eletrônico Inteligente, com o uso e a evolução das redes, eles se

tornaram os controladores dos sistemas elétricos, vamos entender

o Padrão IEC 61850, que permite a troca de informações entre



eles e com o sistema de comando, podendo efetuar qualquer

operação no sistema elétrico.

O que é então do Padrão IEC 61850: É um Padrão de

Comunicação entre dispositivos de um Sistema Elétrico, que

suporta diversos protocolos e podem ser executados em redes

TCP/IP (Ethernet), trabalham com mapeamentos padrões MMS

(Manufacturing Message Specification), GOOSE (Generic Object

Oriented Substation Event), SV (Sampled Variables) e WebSevices.

Podemos descrever as principais vantagens no uso deste padrão:

Interoperabilidade entre diversos fabricantes de

dispositivos;

Facilidade configuração, os blocos são padrões de

informações e endereçamentos;

Infraestrutura padrão, utiliza-se principalmente o Padrão

Ethernet;

Redução de custos engenharia, comissionamento e partida

são mais rápidos.

O Padrão ou Norma (muito conhecido assim também) IEC 61850,

tem uma estrutura composta de 10 partes, cujo objetivo principal

é traçar os caminhos da funcionalidade básica até os testes de

sistemas, passando por todos os requisitos:

1. Introdução e visão geral

2. Glossário

3. Requisitos gerais

4. Administração do projeto e sistemas

5. Requisitos de comunicação



6. Linguagem de Configuração

7. Modelo de Comunicação

8. Mapeamento MMS / TCP/IP

9. Mapeamento Ponto a Ponto/Barramento

10. Testes de conformidade

O formato Lógico da Informação do Padrão é de Nível de Tensão,

Endereço do Bay, Endereço do IED, Log do Dispositivo, Log do

Nó, Dados e Atributos, com isso, independente da rede,

fabricante ou local, a informação é igual em todo sistema.

Um sistema elétrico é responsável por uma série de eventos

dentro de uma planta, vamos tratar como uma indústria, mas vale

para qualquer estrutura de eletricidade.

As principais funções, mas não somente estas, podemos listar

abaixo, perfazendo um sistema elétrico:

• Supervisão, Operação e Proteção dos circuitos elétricos de

potência;

• Comando de despachos de carga;

• Controle de demanda;

• Operação de importação e exportação de energia elétrica;

• Análise de transiente, falhas, distúrbios e desligamentos.

O objeto de nosso estudo é o Padrão IEC 61850, todavia não há

somente este, mesmo porque as normas evoluem de acordo com

as demandas e tecnologias existentes do seu tempo.



As Normas e Padrões, definem os protocolos de telecomando,

tais como, interfaces entre equipamentos, padrão de camadas,

entre outros.

A Norma IEC 60870-5 é aplicada a sistemas de Telecomando,

temos abaixo suas principais divisões ou grupos:

101 – Telecomando básico - supervisão

103 – Padrão para proteção de equipamentos

104 – Suporta TCP/IP

Também temos o DNP 3.0 (orientado a eventos) e chegamos ao

IEC 61850 – padrão (orientado a objetos), que é foco de nosso

texto.

A visão acima é muito simples, apenas para referência de estudo

e continuidade de pesquisa, como dissemos anteriormente, visto

não ser tema do conjunto aqui tratado.

Nesta mesma linha, podemos listar a evolução dos padrões em

função das necessidades e tecnologias da época, é apenas uma

visão geral e não contempla todos existentes, mas as principais

linhas de aplicação de mercado.

1. Cabeamento - não havia rede

2. Norma IEC 60870-5-101

3. Norma IEC 60870-5-103

4. Norma IEC 60870-5-104

5. DNP 3.0

6. IEC 61850



7. SMART GRID - Padrões de Integração de

Produtor/Consumidor

8. IoT - Integração Total de Dispositivos, Produtor,

Consumidor e Controles

Observem que até agora somente tratamos dos Padrões ou

Normas, nestas redes de informações temos os Protocolos de

comunicação, que são as regras que governam a sintaxe,

semântica e sincronização da comunicação em uma rede, este

controla e possibilita uma conexão, comunicação, transferência de

dados entre dois sistemas computacionais.

Alguns tipos de protocolos que são usados na elétrica,

importante não confundir Protocolo com Padrão Elétrico:

PROTOCOLOS

o PROPRIETÁRIOS

o MODBUS

o PROFIBUS

o TCP/IP

o PROFINET

PADRÕES

o RS-232

o RS-485

o ETHERNET

São esperados alguns principais benefícios no uso do Padrão IEC

61850, uma vez que este padrão possibilita a integração e

padronização dos sistemas, tanto de supervisão, quanto de

controle, podemos ver abaixo os principais:



Usar o Padrão de Rede Ethernet em todo sistema Elétrico;

Comando, Controle e Supervisão na Própria Rede;

Análise de Alarmes e Oscilografia em Tempo Real;

Operação Remota e Integração com Processo;

Diagnósticos Avançados de Sistema e Dispositivos;

Padronização para Integração, Comissionamento e Partida.

O Padrão IEC 61850 permite comando, controle, supervisão,

compartilhamento de dados em toda a rede, é uma grande

evolução, utilizando-se por exemplo, do padrão Ethernet, para

que isto ocorra, a Norma prevê alguns tipos de Mensagem, que

são trafegadas dentro da rede, através do protocolo, abaixo

listamos o tipo e seu principal uso:

MMS – (Manufacturing Message Specification)

Informações Unicast – o objetivo é somente informação,

na estação supervisora;

GOOSE - (Generic Object Oriented Substation Event) –

Informações Multicast – responsável pelo comando entre

IEDs;

SV - (Sampled Variables) – responsável pelo tráfego de

valores analógicos entre os IEDs, utilizado para proteção;

XML – (eXtensible Markup Language) padrão de

comunicação para WebServices, responsável pelo

compartilhamento de informações entre todo o sistema

conectado na rede.

Com a integração de todas estas mensagens e suas funções, é

esperado funcionalidades nos sistemas, que apoiarão a operação



e gestão da planta elétrica, podemos listar abaixo alguns tipos,

lembrando que depende da ferramenta a ser implantada:

Supervisão do sistema e equipamentos;

Medições de grandezas em tempo real;

Alarmes e sequência de eventos;

Operação segura por simulação;

Parametrização de IEDs;

Análise de Oscilografia;

Rejeição de Carga;

Relatórios e Histórico geral.

Para construir uma automação de um sistema elétrico, baseado

na Norma IEC 61850, vamos dirigir a aplicação a uma rede

Ethernet, portando há de se observar os principais componentes

e suas principais características:

Redes compostas por:

o Switches Ethernet IEC 61850;

o Firewall e VPN para Cibersegurança;

o Terminal Service;

o I/O Remoto e Tele proteção;

o UTR Unidade Terminal Remota;

o Computadores para Missão Crítica

Alguns requisitos essenciais:

o Quality of Service (QoS): Priority Tagging

o Protocolo de Recuperação de Rede: Rapid

Spanning Tree (RST)

o Gerenciamento de VLAN (para GOOSE)



o Robustez de ambiente, suportar grandes faixas de

temperaturas

o Não haver partes móveis

o Recuperação de anel RST (<50 a 100ms)

Quanto aos aspectos integração, podemos ter três cenários

dentro da indústria, como ocorre de forma mais comum:

Um cenário onde a automação e a elétrica não se

comunicam, isto é, há uma barreira na integração, são

sistemas separados;

Um outro cenário onde se tem a convergência, este é mais

comum, pois todas as redes são tratadas de forma

separada e depois são unidas, por um gateway, por

exemplo, ou um sistema OPC para troca de dados e

informações;

E temos um cenário mais atual (graças a evolução da

tecnologia), que é a integração total, o projeto quando “

nasce” não tem separação de infraestrutura, toda a parte

de comando e controle de processo e elétrica estão em

uma única rede (há requisitos para isso), mas todo o

sistema já é horizontal e vertical do ponto de vista da

informação.

As arquiteturas de sistemas elétricos, seguem o mesmo conceito

da automação, uma vez que utilizam a tecnologia Ethernet, o

Padrão IEC 61850, já trata os blocos dentro da automação e

elétrica para troca de informações e controle, portanto podemos

concluir que já há uma convergência tecnológica.



Listamos abaixo alguns passos importantes para elaboração de

um projeto e integração do sistema de automação elétrica, é

apenas uma visão geral, deve-se aprofundar em detalhes, visto

ser um projeto complexo:

Crie o projeto utilizando todos os dispositivos em Ethernet

e IEC 61850 (use protocolo aberto);

Faça um projeto de Infraestrutura único, faça a

convergência com o sistema de automação;

Projeto a rede Ethernet com conceito de VLAN, acesso

externo com Firewall (Cibersegurança), foque no GOOSE

(Multcast);

Crie as estações de operações exclusivas e integre

informações importantes para todos operadores;

Crie as estações de engenharia separadas (automação e

elétrica, mas em único ambiente e rede;

Treine a equipe, operação e manutenção.

Para finalizar e concluir, passamos algumas informações que não

podem passar desapercebidas neste assunto:

A Norma IEC 61850 possibilitou Padronização e Facilidade

de Engenharia;

Os principais Protocolos Industriais, suportam a Norma,

exemplo Profinet (facilitando Integração);

Reformas e projetos Novos, devem suportar integração

(Convergência) de Controle do Processo e Automação

Elétrica;



Integração com Cloud, uso de WebServices,

complementam a solução para os Desafios da Indústria

4.0, suportadas pela Norma.



SOBRE O AUTOR

• Márcio Venturelli trabalha no Mercado

de Automação Industrial há 25 anos, tendo trabalhado em departamentos, tais como, Assistência Técnica, Treinamentos, Engenharia e Negócios.

• Trabalhou em diversos Projetos de

Implantação de Sistemas e Automação e Controle Operacional de Plantas de Bioenergia, Transformação e Manufatura, no Brasil e no Exterior.

• Atualmente trabalha em Desenvolvimento

de Soluções e Tecnologias para Otimização e Convergência de Sistemas de Automação Industrial, como foco em Conectividade e Redes de Comunicação Industrial, desenhando Soluções que tenham Aderência para a Indústria 4.0.

• Professor Universitário de Pós-Graduação de

Automação Industrial e Gerenciamento de Projetos.

• Membro Sênior da ISA (Sociedade

Internacional de Automação), Diretor de

Tecnologia da ISA Distrito 4 (Brasil), Diretor

de Tecnologia Safety Bus da PI

(Profibus/Profinet Internacional) e

Coordenador do Comitê de Automação

Industrial do CEISE Br.

• Graduado em Ciência da Computação, com

Especialização em Controle e Automação Industrial, Pós-Graduado em Gestão Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do Petróleo e Gás e Possui MBA em Estratégia de Negócios. Técnico nas Áreas de Eletrônica e Eletrotécnica.

ATUALIZADO MAR/2017

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