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Natalia C. Fernandes (UFF), Yona Lopes (UFF), Flvio G. Calhau (Petrobrs/UNIFACS), Carlos A. Malcher (UFF) e Joberto S. B. Martins (UNIFACS) 17/10/2013 Apresentao: Natalia Fernandes e Yona Lopes IEEE Smart Grid Workshop

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Agenda Geral Sistema Eltrico de Potncia Smart Grids A norma IEC 61850 Concluso 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Introduo 17/10/2013 Qual o objetivo do Sistema Eltrico de Potncia? Atender ns consumidores entregando energia com eficincia e confiabilidade durante o maior tempo possvel! Como gerada a energia que chega nossa casa? Como essa energia chega nossa casa? IEEE Smart Grid Workshop

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Introduo 17/10/2013 Conjunto de usinas, subestaes, linhas de transmisso e outros equipamentos que possibilitam a gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica GERAO TRANSMISSO DISTRUIBUIO IEEE Smart Grid Workshop

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Qual a estrutura bsica desse sistema? Como funciona? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Estrutura Bsica 17/10/2013... Subestaes de Gerao 12 24 kV IEEE Smart Grid Workshop

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Rede Brasileira SIN- Sistema Interligado Nacional ONS Operador Nacional do Sistema eltrico Coordenao e controle da operao das instalaes de gerao e transmisso de energia eltrica no SIN ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Rede Brasileira Grande e complexo sistema de subestaes e linhas de transmisso 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Qualidade do servio eltrico Medidas de qualidade da ANEEL: DEC- Durao Equivalente de interrupo por unidade Consumidora Indica o nmero mdio de horas que um consumidor fica sem energia eltrica durante um perodo, geralmente mensal. FEC Frequncia Equivalente de Interrupo por Unidade Consumidora Indica a frequncia mdia de interrupes. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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DEC - Durao Equivalente de interrupo por unidade Consumidora 17/10/2013 Exigncia da ANEEL Fonte: ANEEL IEEE Smart Grid Workshop

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Falhas graves no Brasil Apages Janeiro de 2005 RJ e ES (3M de pessoas atingidas) Setembro de 2007 RJ e ES Problemas em FURNAS Novembro de 2009 18 estados afetados Problemas em Itaipu Fevereiro de 2011 8 estados do nordeste afetados Falha na subestao Luiz Gonzaga 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Apago de nov. de 2009 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop 20% da produo nacional 60% da energia consumida em SP 17.000 MW foram cortados, sendo 14.000 MW de Itaipu Fonte: http://noticias.uol.com.br/cotidiano/2009/11/11/ult5772u6082.jhtm

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Perda de energia 17/10/2013 causa perda de dinheiro!!! IEEE Smart Grid Workshop

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Falhas graves no mundo EUA e Canad- 2003 8 estados afetados nos EUA 45 milhes de pessoas 10 milhes de pessoas em Ontrio, Canad 17/10/2013 Perdas stimadas em $6 bilhes IEEE Smart Grid Workshop

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Porque isso acontece? Esse vasto sistema est exposto a condies adversas e imprevisveis, que podem levar m operao ou situaes de falha... 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Falta Acidentes em fios de alta tenso; quebra de postes, suportes, isoladores, equipamentos; descargas atmosfricas e umidade, etc Falta 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Falta Todo fluxo anormal da corrente eltrica. Ex: curto circuito A situao do sistema deve ser conhecida! A falha deve ser isolada e o sistema protegido 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Como proteger esse sistema? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Proteo Isolar a falta, abrindo os terminais mais prximos desta, no menor tempo possvel para que a falta no se propague 17/10/2013 Falta Deteco Ao Anlise IEEE Smart Grid Workshop

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Sistemas de proteo Deteco de anomalias Elevao da corrente Elevao e reduo da tenso Inverso do sentido da corrente Alterao da impedncia Comparao do mdulo e da fase do sinal na entrada e na sada do sistema Ao Desconexo de parte do sistema eltrico quando existem anomalias Anlise Fornecimento de informaes para simplificar a identificao e a reparao de problemas 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Requisitos do sistemas de proteo Seletividade Elemento(s) mais prximo(s) ao defeito (so) operado(s). Desconecta apenas a parte defeituosa Velocidade Reagir /intervir o mais rpido possvel Sensibilidade Reconhecer com preciso a faixa de operao dos equipamentos Confiabilidade Cumprir tarefas com segurana e exatido mesmo quando exposto a condies que foram pr-definidas para sua atuao 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Quais equipamentos esto envolvidos nesse sistema? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Principais Equipamentos de Proteo Rels Disjuntores e Seccionadoras Transformadores de Instrumentos Transformador de Corrente (TC) Transformador de Potencial(TP) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Rels Tem o objetivo de normalizar variaes, seja nas condies normais do prprio equipamento ou do circuito que est ligado. Elementos detetores-comparadores e analisadores Promovem a retirada rpida de um elemento do sistema Indicam a localizao e do tipo de defeito. Pode ter uma ou mais funes Identifica a falta localiza a falta compara informaes recebidas com ajustes pr-estabelecidos envia comando de abertura de disjuntores e chaves seccionadoras alarma e informa o defeito 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Rels Eletromecnicos Induo eletromagntica Atrao Estticos No contm partes mveis, compostos por dispositivos eletrnicos Digitais Automatizados Gerenciados por microprocessadores Mais rpido Controlados por software 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Intelligent Electronic Devices - IED Qualquer dispositivo eletrnico que possui algum tipo de inteligncia e capacidade de comunicao Controladores baseados em microprocessadores de equipamentos do sistema de potncia Funes do IED Proteo Controle Medio e monitoramento Comunicao 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Intelligent Electronic Devices - IED Funcionamento Recebem dados de sensores e equipamentos de potncia Enviam comandos como abrir ou fechar um disjuntor, aumentar ou diminuir a voltagem, etc. Com base nos dados monitorados de voltagem, corrente e frequncia Exemplos de IEDs Rels digitais de proteo Controlador de comutador de carga Controlador de disjuntor Regulador de voltagem Etc. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Disjuntores e Seccionadoras Equipamento de manobra, comandado para desconectar a rea defeituosa, pelo operador ou pelo rel 17/10/2013 Subestao ItaipuSubestao CEMIG IEEE Smart Grid Workshop

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Transformadores de Instrumento Utilizados na proteo do sistema eltrico. Transformadores de Corrente (TC) Transformadores de Potencial (TP) Convertem uma corrente/tenso elevada para uma menor para o instrumento de medio. 17/10/2013 TC TP IEEE Smart Grid Workshop

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Subestaes Instalao eltrica de alta potncia Conjunto de equipamentos de manobra ou transformao de tenso Transmisso, distribuio, proteo e controle de energia eltrica Funes Dirigir o fluxo de energia em sistemas de potncia Melhorar a qualidade de energia Detectar e isolar falhas utilizando o sistema de proteo 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Subestaes Cabos de Controle 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Como todo esse sistema controlado e supervisionado? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Centro de Operao e Controle 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Painel de controle convencional 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Sistemas supervisrio e de proteo Amplamente favorecidos pelas redes de telecomunicaes Essenciais para o provimento de servio com qualidade 17/10/2013 Superviso Proteo IEEE Smart Grid Workshop

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Sistema Supervisrio Funcionalidades Medies e alarmes Status dos equipamentos Controle de tenso Corte seletivo de carga (Load Shedding) Sincronizao de linhas Interface homem-mquina (para a operao) Gerenciamento da manuteno Comunicao de dados para outros centros Elaborao de relatrios Etc. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Sistema Supervisrio Informaes necessrias para vrios tipos de usurios Operador da subestao Operador do sistema no centro de operaes Engenheiros de manuteno rgos governamentais (ONS, ANEEL, CCEE) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Sistema Supervisrio SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition system Parte do sistema de superviso e de proteo Superviso, controle, otimizao e gerenciamento de sistemas de gerao e transmisso de energia eltrica Benefcios Anlise de consumo e demanda, Anlise da carga dos consumidores Verificao de falhas Anlise de carga nos transformadores Etc.; 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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17/10/2013 Quais so os principais problemas? IEEE Smart Grid Workshop

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Baixa integrao no sistema Medio de consumo manual Dados pouco detalhados sobre o consumo de energia Dificuldade para integrao de fontes de energia de pequeno e mdio porte Dificuldade de integrao de novas demandas Veculo eltrico 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Problemas do sistema eltrico Sistema eltrico com pouca inovao Falta de peas de sobressalentes, o que indica defasagem tecnolgica; Alto custo de manuteno; Manuteno corretiva demorada e baixa confiabilidade devido as muitas falhas nos equipamentos 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Impacto ambiental do sistema eltrico Uso de energia no renovvel Termoeltricas Usinas atmicas Consequncias Poluio Aquecimento global Desmatamentos 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Evoluo ltimos 110 anos sem mudanas revolucionrias na rede de energia eltrica Rede do sculo 20 no se adapta mais as necessidades do sculo 21 Evoluo Industria de Energia Eltrica passando por uma grande mudana Uso de tecnologias para atender aos desafios de hoje e do Futuro Smart Grids 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Quais problemas/caractersticas temos na rede atual? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Estrutura Rede Eltrica Atual Sistema eltrico No uma nica entidade Conjunto de diversas redes, vrias empresas de gerao, transmisso e distribuio Vrios operadores aplicando diversos nveis de comunicao e coordenao Em sua maioria, controlados manualmente 17/10/2013 Rede Complexa! IEEE Smart Grid Workshop

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Estrutura Rede Eltrica Atual Projetado para o horrio de pico Tempo Ocioso Energia cara 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Consumidores No participam do sistema Desinformados Apenas consomem S sabem o quanto gastam no final do ms Sistema Unidirecional Comunicao e fluxo de energia Medio e corte de energia manual 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Gerao Dominada pela produo centralizada 17/10/2013

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Foco Concentra-se em falhas 17/10/2013

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Tratamento de quedas de energia em residncias Cliente liga para concessionria. Inovao: cliente manda um sms, para concessionria saber da queda 17/10/2013

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Proteo Foco na proteo aps a falha. Vulnervel a vndalos e a desastres naturais. 17/10/2013

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Superviso/Monitoramento Superviso da gerao e transmisso de energia eltrica. Componentes falhas Aquisio de dados 17/10/2013

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Armazenamento Energia gerada e utilizada. O que no for utilizado se perde. No conta com armazenamento da energia que foi gerada a mais 17/10/2013

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Mercado Mesmo sistema a dcadas Baixo grau de inovao 17/10/2013

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Mudanas no Sistema Eltrico de Potncia (SEP) No mundo como um todo, o SEP est passando por profundas mudanas por diversos motivos: Necessidade de se atender demandas ambientais Necessidade de aumento da eficincia operacional da rede Necessidade de melhorar a qualidade para o consumidor. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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O que Smart Grid? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grid Visa uma maior eficincia, confiabilidade e segurana, acoplada integrao de novas fontes de energia renovveis, atravs de um controle automatizado e fazendo uso de tecnologias avanadas de telecomunicaes. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Novo Modelo de Rede Eltrica Viso geral Elementos das smart grids 17/10/2013 Energia elica Painis solares Geradores de energia particulares Medidores inteligentes Tecnologia de casas inteligentes Sistemas inteligentes de controle Carros eltricos IEEE Smart Grid Workshop

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Mas como tornar a rede eltrica mais inteligente? 17/10/2013 Comunicao + automao = rede inteligente Software IEEE Smart Grid Workshop

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Pilares da smart grid 17/10/2013 Ativos Eltricos Sistemas de Telecom TI Smart grid Automao IEEE Smart Grid Workshop

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Premissas Sistema de comunicao Similar internet (uma rede dinmica), a smart grid ser interativa infraestrutura de comunicao de alta velocidade e bidirecional Backbone confivel, resistente, seguro, gerencivel 17/10/2013 SUCESSO Sistema de Comunicao

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Quais as consequncias das Smart Grids? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Consumidores No participam do sistema. Desinformados Apenas consomem S sabem o quanto gastam no final do ms Sistema Unidirecional Conscientizao dos Usurios Medidores de qualidade de energia e de consumo de energia em tempo real Conectados logicamente as concessionrias interagindo em tempo real Informaes de preo disponveis em tempo real, opes de compra. Deteco de fraudes. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Gerao Dominada pela produo centralizada. Gerao Distribuda Gerao tambm pelo consumidor. Fontes de energia alternativas Recursos energticos plug and play 17/10/2013

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Foco Concentra-se em falhas Concentra-se qualidade da energia ( prioridade, com uma variedade de opes de preo de acordo com as necessidades do cliente.) 17/10/2013

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Tratamento de quedas de energia em residncias Cliente liga para concessionria. Inovao: cliente manda um sms, para concessionria saber da queda 17/10/2013 Totalmente automatizado Roteamento de energia (receber a energia de outro ponto)

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Proteo Foco na proteo aps a falha. Vulnervel a vndalos e a desastres naturais. Inteligente - Detecta, evita interrupes, minimiza/atenua o impacto e se recupera rpida e eficientemente aps falhas: Muda o caminho por onde circula a energia quando tiver um apago) 17/10/2013

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Superviso/Monitoramento Superviso da gerao e transmisso de energia eltrica. Componentes falhas Aquisio de dados Monitoramento de consumo automtico Disponibilidade de dados online para usurios Sistema totalmente interligado e supervisionado 17/10/2013

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Armazenamento Energia gerada e utilizada. O que no for utilizado se perde. No conta com armazenamento da energia que foi gerada a mais 17/10/2013 Armazenamento inteligente de energia. Baterias Ultracapacitores Etc Ex: Casa com painel solar e conjunto de baterias. Veiculos Eltricos

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Mercado limitado e no integrado Mesmo sistema decadas 17/10/2013 Expanso do mercado Maior competio Novas Oportunidades para fabricantes Aumento da procura de mo de obra especializada

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reas Chaves das Smart Grids Comunicao integrada Fontes de energia alternativa Microgrids Sensoriamento da rede e medidores inteligentes Veculos Eltricos 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Comunicao Integrada Medio e coleta de dados Atuao rpida contra falhas Conexo dos clientes finais Controle dos gastos Realimentao do servio com relao demanda e qualidade 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Fontes de Energia alternativa Sustentabilidade Reduo de custos Aumento da tolerncia a falhas Novo modelo econmico Usurio como consumidor e produtor 17/10/2013 Virtual Power Plant IEEE Smart Grid Workshop

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Microgrids Verses modernas, em pequena escala do sistema eltrico centralizado Objetivo: atingir objetivos especficos locais 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Medio Medio inteligente (smart metering) Substituio de medidores analgicos Comunicao direta com a empresa distribuidora 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Medio Infraestrutura de medio automtica (Automatic Metering Infrastructure) Fluxo bidirecional de energia entre o sistema e os clientes 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Medio Segurana Ataques rede de telecomunicaes Privacidade 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Veculos Eltricos (EV) Carros com bateria Hbridos Sem uso de combustveis fsseis Menor poluio Autonomia suficiente para o consumo de um dia Carga lenta 6 a 8 hs Carga rpida 30 minutos Veculos e a smart grid Provimento de energia nos horrios de pico para a rede 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Veculos Eltricos (EV) 17/10/2013 As previses apontam para a substituio dos carros a combustvel fssil por carros eltricos Carros eltricos j so uma realidade em locais como Europa e Japo Porque ainda no est em produo no Brasil? Porque ainda no est em produo no Brasil? IEEE Smart Grid Workshop

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Veculos Eltricos (EV) Falta de incentivos fiscais Situao em discusso pelo governo Necessidade de instalao da infraestrutura das smart grids Locais para reabastecimento dos carros Estrutura para cobrana usando as redes de telecomunicaes 17/10/2013 Porque ainda no est em produo no Brasil? Porque ainda no est em produo no Brasil? IEEE Smart Grid Workshop

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Novo Modelo de Rede Eltrica 17/10/2013 Caractersticas das smart grids Equipamentos digitais Comunicao bidirecional Gerao distribuda Organizao do sistema em rede Forte sensoriamento Autonomia para monitorao e recuperao Tratamento de falhas com controle adaptativo e ilhamento Verificao e testes remotos Mais escolhas para o consumidor Forte utilizao das telecomunicaes! IEEE Smart Grid Workshop

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Benefcios das Smart Grids Autorrecuperao e adaptabilidade Interao com os consumidores Melhoria da Qualidade de Energia Integrao de fontes de energia distribudas Abertura de novos mercados Aumento da visibilidade de rede Gerenciamento otimizado de ativos 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Implantao Pode ser implantada em fases. Iniciativas Smart Grid so, tipicamente, de mdio e longo prazo Diferentes operadoras com possivelmente diferentes estilos de adoo e implantao. 17/10/2013 Cada caso um caso IEEE Smart Grid Workshop

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Redes & Telecom numa Soluo Smart Grid 17/10/2013 Quando no existe uma comunicao direta entre o medidor e o sistema central Comunicao direta entre o medidor e o sistema central Usado para instalao e configurao Comunicao entre a central de medio e os medidores IEEE Smart Grid Workshop

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Sistema de Comunicao Redes e Telecomunicaes Soluo integrada com maior eficincia para o controle, medio e monitorao Interagindo de forma interopervel 17/10/2013 LAN - Rede Local da Subestao WAN - Rede de Longa Distncia Suporte a Monitorao e Coleta de Dados Integrao Usurios Finais HAN - Rede domstica Coordenao da gerao distribuda Dentre outros... IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grids Componentes de Redes & Telecom Redes Backbone (WANs e MANs): Escopo longa distncia e metropolitano Suporta principalmente a rea de TI e a integrao dos segmentos Smart Grid (gerao, transmisso, distribuio e usurio) Redes de aplicao local (LANs): Escopo maior na rea de controle e operao (subestaes, escritrios, outros) Redes de aplicao local focadas no usurio: HAN Home Area Networks Foco total no usurio, na automao domstica e na integrao de veculos 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Aspectos Tcnicos Fundamentais 17/10/2013 Comunicao Bidirecional Requisitos de Operao (atraso, perdas...) Alta disponibilidade Monitorar dados remotos Volumes de dados gerados Segurana e privacidade Semntica dos dados IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grids Alguns dos Requisitos de Rede Capacidade - Volume de Dados: Monitoramento, sensores, medidores domsticos, elementos de atuao, outros Parmetros de Qualidade da Comunicao (QoS: Quality of Service; QoE: Quality of Experience): Atrasos, perdas, variao no atraso (jitter) Necessidades coleta de dados e controle de operao em tempo real, sincronizao, outras Comunicao bidirecional Necessidade da integrao funcional num estilo smart grid, poder atuar junto ao usurio, outras Segurana Disponibilidade e Recuperao de Falhas: Alta disponibilidade, resilincia, outros 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grid Aspectos Tcnicos - Resumo Redes & Telecom Alguns dos aspectos arquiteturais e tcnicos de Redes/Telecom inerentes soluo Smart Grid: Arquitetura de Rede: TCP/IP atende? Devemos utilizar outras arquiteturas especficas (field-bus, redes IEC 61850, redes de sensores,...? Redes pticas so uma possvel soluo? SDN (Software Defined Networking) pode ser interessante? Tecnologias de Rede: Quais? Tecnologias distintas por cenrio de aplicao do Smart Grid? Aplicaes: Qual o foco do negcio Smart Grid e quais aplicaes so relevantes? Segurana: Como garantir uma operao segura num contexto distribudo de rede e telecomunicaes Comunicao: Que tipo de modelo de comunicao necessrio ao Smart Grid? Bidirecional? Qual o nvel de interatividade? Quo aberto deve ser? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grids Redes & Telecom 17/10/2013 ComandoControleMonitoramento MedioAutomaoGerao distribuda Integrao da Informao Infraestrutura de Telecomunicao + TI IEEE Smart Grid Workshop

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Tecnologias Wireless & HAN para o Smart Grid 17/10/2013 TecnologiaEspectroBandaAlcanceAplicaesLimitaes GSM900-1800 MhzAt 170 Kbps1-10 KmAMI, Resposta a Demanda (DR), HAN Baixa Largura de Banda 4G2.5 GhzAt 200 Mbps1-50 KmAMI, DR, HANEspectro WiFi IEEE 802.11 2.4-5.8 GhzAt 155 Mbps1-300 mAMI, HANCurto alcance WiMax IEEE 802.16 2.5 Ghz 3.5 Ghz 5.8 Ghz At 75 Mbps1-5 Km 10-50 Km AMI, DRPoucas implementaes PLC3-500 Mhz 1.8-30 Mhz 1-3 Mbps At 200 Mbps 1-3 KmAMI, Deteco de fraudes Rudos em redes ZigBee2.4 Ghz 868-915 Mhz At 250 Kbps30-90 mAMI, HANCurto alcance e baixa largura de banda Bluetooth2.4-2.4835 MhzAt 721 Kbps1-10 mHANCurto alcance e alto consumo de energia IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grid e Redes Elementos do Projeto Vrios aspectos devem ser considerados num projeto de uma soluo Smart Grid para o sistema eltrico Arquitetura da(s) Rede(s): Inclui a integrao de tecnologias para os diversos tipos de rede envolvidos na soluo Smart Grid Dados: Inclui toda uma sistemtica de aquisio, formatao, armazenamento, recuperao, distribuio e processamento de informaes entre os sistemas e aplicaes da soluo Smart Grid Diversos padres envolvidos Aplicaes e interfaces (APIs Application Programming Interfaces): Estruturadas por setor Um aspecto fundamental a representao e semntica dos dados propiciando (suportando) a integrao da diferentes aplicaes: Ex.: como os dados de monitoramento no cliente (consumo) podem ser usados visando uma previso de demanda? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Outros Padres para o Smart Grid 17/10/2013 Tipo / PadroDetalhesAplicao IEC 61968 e IEC 61970 Prover um Modelo de Informao Comum (CIM) relacionado troca de informaes entre os centros de controle. O primeiro relacionado ao domnio de transmisso e o segundo ao domnio de Distribuio EMS (Aplicaes do centro de controle). IEC 60870-6 / TASE2 Troca de dados entre o centro de controle da utility e o centro de controle regional. Centro de Comunicao Intercontrole IEC 62351Definio de segurana para protocolos de comunicao. Sistemas de Segurana da Informao IEEE P2030Diretrizes de interoperabilidade, terminologia, caractersticas, critrios funcionais, de desempenho e de avaliao. Aplicaes do lado cliente Padronizao um elemento importante para a soluo Smart Grid Diversas aes em curso: ITU-T, IEC, IEEE, outros IEEE Smart Grid Workshop

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Outros Padres para o Smart Grid 17/10/2013 Tipo / PadroDetalhesAplicao IEEE P1901Comunicaes de alta velocidade em linhas de fora (BPLC Broadband over Power Line Communications) Aplicaes smart grid e residenciais ITU-T G.9955 e G.9956 Especificaes de camada fsica e de camada de enlace, Respectivamente (NB-PLC : Narrow Band PLC) Automao da Distribuio, AMI ANSI C12.22Descreve a comunicao de tabelas C12.19 sobre redes quaisquer. AMI ANSI C12.18Estrutura de dados para comunicao bidirecional com o medidor. AMI ANSI C12.19Define tabelas de estruturas de dados a serem transferidas do medidor para o mdulo de comunicao. AMI IEEE Smart Grid Workshop

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Outros Padres para o Smart Grid 17/10/2013 Tipo / PadroDetalhesAplicao IEC 61850Flexvel, a prova de futuro, padro aberto, comunicao entre dispositivos de transmisso, distribuio e sistemas de automao de subestao. SAS (Automao de Subestao) Redes e sistemas de comunicao para automao das concessionrias de energia IEC 61850 uma componente bastante importante e relevante no contexto do Smart Grid na medida em que procura estabelecer padres de comunicao com um foco maior na automao, mas podendo ser aplicado em outros segmentos do sistema eltrico IEEE Smart Grid Workshop

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Como modelar todo esse sistema? Como integrar? Como garantir interoperabilidade? Como atender a rede do sculo 21 e suas novas necessidades ? 17/10/2013 Norma IEC 61850 Smart Grids IEEE Smart Grid Workshop

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IEC 61850 - Introduo ltimos 110 anos sem mudanas revolucionrias na rede de energia eltrica Rede do sculo 20 no se adapta mais as necessidades do sculo 21 Evoluo Industria de Energia Eltrica passando por uma grande mudana Uso de tecnologias para atender aos desafios de hoje e do Futuro Smart Grids 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Histrico Dispositivos Eletrnicos Inteligentes para Controle e Proteo (IEDs) Quais as consequncias? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Histrico Com as consequncias da evoluo do Sistema Eltrico de Potncia Diversos protocolos proprietrios e padres. Cada fabricante desenvolveu seu prprio protocolo de comunicao 17/10/2013 MODBUS DNP IEC 60870-5-101 IEC 60870-5-104 FIELDBUS Outros... IEEE Smart Grid Workshop

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Histrico Necessidade de padronizao. Surgiu da necessidade de uma arquitetura nica entre todos os dispositivos independente de seu fabricante ou da funo que exera na subestao 17/10/2013 Atualmente visa a modelagem dos sistemas e redes de comunicao para a automao do sistema eltrico! IEEE Smart Grid Workshop

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Histrico Principal objetivo da norma IEC 61850: Garantir interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes Suportar a evoluo de tecnologias Possibilitar a comunicao com alta velocidade e elevada confiabilidade 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Histrico 1994 EPRI IEEE, USI 1996 IEC TC57 UCA (Utility Communications Architecture): IEEE + EPRI (Electric Power Research Institute) com o objetivo de desenvolver uma estrutura de comunicao em tempo real que fosse comum a todas as empresas. Projeto apesar de bem sucedido, ainda no atendia a todas as necessidades de modelagem para as subestaes 3 Grupos de Trabalho do Comit Tcnico (TC57) da IEC, 10,11 e 12 com o objetivo de preparar um padro de comunicao de sistemas em subestao Fonte: D. Proudfoot, UCA and 61850 for dummies, em Distri- buTECH 2002, p. 47 51, fevereiro de 2002 2002 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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IEC 61850 - Introduo 17/10/2013 Qual a mudana no cenrio Atual O que o IEC 61850 propem? IEEE Smart Grid Workshop

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IEC 61850 - Introduo Cenrio 17/10/2013 Ethernet IEEE Smart Grid Workshop

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IEC 61850 - Introduo No um protocolo! O IEC 61850 no define mquina de estados, mas um modelo de informao. um modelo que padroniza a comunicao e o sistema de automao de energia (e no se limita a modelagem na subestao!) Parte 90-1 modela a comunicao entre subestaes. Revised - Draft IEC TR 61850-90-8, IEC 61850 object models for electric mobility (veculos eltricos) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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IEC 61850 O que esse modelo de Informao prope? Modelagem dos dispositivos de automao da subestao Orientao a objetos Modelagem dos mecanismos de comunicao Troca de mensagens Linguagem de configurao padronizada (SCL) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao Como modelar um Disjuntor? 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop Registrar e controlar operaes. O que faz o disjuntor? Abre e Fecha! Mas faz mais que isso... O que faz o disjuntor? Abre e Fecha! Mas faz mais que isso... Vida til do disjuntor Registrar fundamental! O disjuntor pode estar bloqueado para abrir ou fechar, em manual ou telecomando. Todas as informaes devem se coletadas e armazenadas. O disjuntor pode estar bloqueado para abrir ou fechar, em manual ou telecomando. Todas as informaes devem se coletadas e armazenadas.

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao IEC 61850 Inteligncia est distribuda nos dispositivos Disjuntores Transformadores O Rel de proteo pela sua caracterstica micro- processada foi o primeiro. 17/10/2013 Com CPUs e Placas de Rede! IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao 17/10/2013 Qual o melhor modelo? O que mais se aproxima da Realidade! IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao 17/10/2013 Disjuntor N Lgico XCBR (Circuit BReaker) IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao 17/10/2013 Seccionadora N Lgico XSWI (switch) IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop TC N Lgico TCTR (Current TRansformer) TP N Lgico TVTR (Voltage TRansformer )

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao Agrupados de acordo com sua rea de aplicao mais comum Ex: TXXX - Transformadores e Sensores TCTR - Transformador de Corrente (Current TRansformer) TVTR - Transformador de Potencial (Voltage TRansformer ) XXXX - Interface com chaves de processo(ex: disjuntores) XCBR - Chave disjuntor (Circuit BReaker) XSWI - Chave Seccionadora (switch) Sua funcionalidade textualmente descrita Fonte: IEC 61850-7-1: Communication Network and Systems for Power Utility Automation. Basic Communication Structure Compatible Logical Node Classes and Data Object, 2010 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Norma IEC 61850 -Grupos de Ns Lgicos A norma padroniza um conjunto de 26 grupos de ns lgicos agrupando funes de proteo e controle Outros Exemplos: PXXX - Funes de Proteo PTOC Proteo de Sobrecorrente (Time OverCurrent) PDIS - Proteo de distncia (Distance) CXXX - Controle CSWI - Controlador de chaveamento SXXX - Superviso e Monitoramento AXXX - Funes Automticas de controle MXXX - Medies YXXX - Processos de transformadores de potencia I XXX - Interface de arquivamento GXXX - Funes genricas Fonte: IEC 61850-7-1: Communication Network and Systems for Power Utility Automation. Basic Communication Structure Compatible Logical Node Classes and Data Object, 2010 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Norma IEC 61850 Exemplo comando de um Disjuntor 17/10/2013 IHMI Interface Homem Mquina XCBR Disjuntor TCTR Transformador de Corrente TVTR Transformador de Potencial CSWI Controlador de chaveamento Disjuntor TC TP TVTR IHMI IARC MMTR PIOC CSWI TCTR XCBR MMXU IARC Interface de Arquivamento PIOC Proteo de Sobrecorrente Instantnea MMTR Contador MMXUMedio Operativa e indicativa Comando Fechar dj Fechar disjuntor IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao Como feita a modelagem dos dispositivos? Exemplo: O que desejamos: Estado (Posio aberta ou fechada do disjuntor) Disjuntor 5 Disjuntor Objeto de dados (atributo) EX: cor da pele, altura, peso... Objeto Concreto (uma instncia) Ex : Juliana Paes, Gloria Pires Classe abstrao - descreve um conjunto de objetos, com os mesmos atributos, operaes. Exemplo : Atrizes 17/10/2013 Orientao a objetos

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Dispositivo Fsico (endereo de rede) Norma IEC 61850 Estrutura e Nome de Objeto 17/10/2013 Dispositivo Lgico 1 MyLD DispositivoLgico/NLgico.Objeto.Atributos StVal (0,1,2 ou 3) = Intermedirio Aberto Fechado Falha XCBR2. MyLD/ Pos. StVal. Valor de status da posio do disjuntor IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao Concepo de Links e Ns Lgicos Fonte: IEC 61850-5: Communication Network and Systems in Substations. Communication requirements for functions and device models, 2003 NL 4 NL 3 NL 1 NL 2 NL 5 NL 6 NL 0 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Funes dos IEDs O que uma funo em uma subestao? Operaes no sistema em alto nvel Ex: Funo de Proteo Abertura de um disjuntor para desenergizar uma linha com sobrecarga Funo de Controle Comandos Verificar Alarmes e Eventos pela IHM Funo de Automao (automticas) Funes de Monitoramento Fornece dados para analisar falhas Funes de Superviso Gerenciamento de eventos em tempo real (mudana de estado ) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Norma IEC 61850 IED Multifuncional 17/10/2013 IHMI Interface Homem Mquina IARC Interface de Arquivamento CSWI Controlador de chaveamento PIOC Proteo de Sobrecorrente Instantnea MMTR Contador MMXUMedio Operativa e indicativa TVTR Transformador de potencial TCTR Transformador de corrente XCBR Disjuntor Disjuntor Transformador de Corrente Transformador de Potencial TVTR IHMI IARC MMTR PIOC CSWI TCTR XCBR MMXU Funo: Gerenciamento de Eventos Funo: Proteo IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao Nomenclatura dos dados - Consequncia : Dispositivos de diferentes fabricantes podem ser utilizados em conjunto Custos de Migrao so reduzidos Trabalho de reconfigurao minimizado em caso de troca Modelo se aproxima da realidade 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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IEC 61850 O que esse modelo de Informao prope? Modelagem dos dispositivos de automao da subestao Orientao a objetos Modelagem dos mecanismos de comunicao Troca de mensagens Linguagem de configurao padronizada (SCL) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos mecanismos de comunicao Que mensagem tenho na rede? Alarme prioridade alta sinais de disparo, bloqueio, intertravamento etc. Monitoramento e Controle prioridade mdia estado de equipamentos e controle (Informaes operacionais) Transferncias de arquivos prioridade baixa oscilogramas, relatrios de falta etc. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos mecanismos de comunicao Mecanismos de comunicao Mensagens com grade restrio temporal (Ex: 3,10,20ms): GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) SV (Sampled Values) Mensagens que no tem grande restrio temporal (ex:100,500, 1000ms): MMS (Manufacturing Message Specification ) Time Sync (SNTP) Devido as suas funcionalidade a GOOSE e MMS merecem destaque. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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GOOSE Requisitos Rgidos de Tempo: Mensagens rpidas (trips) - 3ms Comandos, mensagens simples - (20ms) Mapeada diretamente na camada de enlace Trafegam apenas dentro da LAN Possuem apenas endereos MAC No possuem IP no so roteveis. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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GOOSE 17/10/2013 Mensagens espontneas - Publisher/Subscriber - Multicast IEEE Smart Grid Workshop

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Sampled Values(SV) Requisitos Rgidos de Tempo: Valores Amostrados - 3ms Mapeada diretamente na camada de enlace Transmisso de Valores Amostrados conceito de Merging Unit (ainda sendo disponibilizado comercialmente pelos fabricantes) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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MMS Restrio temporal menos crtica Mensagens de Superviso e Controle Mdia velocidade (100ms) Informaes de Estado e Valores de Medidas Baixa velocidade Alteraes de configuraes ou Parmetros (500ms) Transmisso de registro de eventos(500ms) Comandos da estao HMI (500ms) Arquivos grandes (1000ms) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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MMS Arquitetura Cliente-Servidor 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos mecanismos de comunicao- Pilha de Protocolos 17/10/2013 SVGOOSE Time Sync (SNTP) MMS Protocol Suite Camada 2 - Enlace Demais camadas IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos mecanismos de comunicao- Pilha de Protocolos 17/10/2013 Rede SVGOOSE Time Sync (SNTP) MMS Protocol Suite Enlace Transporte IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos mecanismos de comunicao TipoClasseExemplos Tipo de mensagens e limites temporais 1A 1B Mensagens Rpidas - trip Mensagens rpidas -outras Trips Comandos, Mensagens Simples GOOSE (3ms e 10ms) GOOSE (20ms e 100ms) 2Mdia VelocidadeValores de MedidasMMS (100ms) 3Baixa velocidadeParmetrosMMS (500ms) 4Rajada de Dados -Raw (dados brutos) Sada de dados dos instrumentos (transformadores) SV (3ms e 10ms) 5Transferncia de arquivosArquivos grandesMMS (1000ms) 6A 6B Sincronizao de tempo a Sincronizao de tempo b Sinc. tempo (station bus) Sinc. tempo (Process bus) Time Sync (+/- 1 ms) Time Sync (entre +/- 4 s e 1 s e +/- 25 s) 7Mensagens de comandosComandos da estao HMIMMS (500ms) 17/10/2013 desvio temporal Tipos de mensagens suportadas pela norma IEC 61850 IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos mecanismos de comunicao 17/10/2013 Requisitos de Telecomunicaes IEEE Smart Grid Workshop

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IEC 61850 O que esse modelo de Informao prope? Modelagem dos dispositivos de automao da subestao Orientao a objetos Modelagem dos mecanismos de comunicao Troca de mensagens Linguagem de configurao padronizada (SCL) 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Linguagem de configurao Padronizada - SCL Linguagem de Configurao de Subestao(Substation Configuration Language SCL) Linguagem de configurao Padronizada Orientada a objetos Baseada em XML (eXtensible Markup Language - XML) Simples e Flexvel 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Linguagem de configurao Padronizada - Arquivos de Configurao Funcionalidades e capacidade do IED - arquivo ICD (IED Capability Description) Especificao da subestao - arquivo SSD (Substation Specification Description) ICD+SSD= arquivo SCD (System Configuration Description). O arquivo de cada IED, depois de configurado para um projeto especfico, passa a ser denominado arquivo CID (Configured IED Description) daquele IED. 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Consequncias 17/10/2013 Modelagem dos dispositivos de automao da subestao Modelagem dos mecanismos de comunicao Linguagem de configurao padronizada (SCL) IEEE Smart Grid Workshop

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Linguagem de configurao Padronizada - SCL Consequncia: Dispositivos no necessitam de configurao manual exceto em casos especficos 17/10/2013 Reduo de Custos! Reduo de erros Humanos! Simplicidade e Flexibilidade!

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Modelagem dos mecanismos de comunicao Consequncia: Comunicao Digital, mais confivel e rpida. Simplicidade Informao Disponvel quando necessrio 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao Consequncia: Substituio dos cabos de cobre (cabos de controle) por uma rede de Fibras ticas Algumas fibras no lugar de uma quantidade imensa de cabos 17/10/2013 Reduo de Custos! IEEE Smart Grid Workshop

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Modelagem dos Dispositivos de Automao da subestao Consequncia: Painis de controle automatizados 17/10/2013 Reduo de Custos! Painel de controle Convencional Painel de controle com IED IEEE Smart Grid Workshop

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Benefcios do IEC 61850 Reduo de Custos Instalao e Construo Cablagem Com configuraes, dentre outros Comunicao digital- c0nfiveis e rpidas Simplicidade Disponibilidade de Informao Linguagem de configurao padronizada SCL baseada em XML Modelagem de todo os sistema prova de Futuro 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grid Desafios Redes & Telecom Segurana da rede de telecomunicaes Controle de Redes Eltricas Medio e faturamento Gerenciamento Interoperabilidade Migrao de tecnologias 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Smart Grid Desafios Redes & Telecom Comunicao segura (segurana dos dados: disponibilidade, integridade, autenticidade, confidencialidade,...) Comunicao confivel Confiabilidade da rede Falhas : Previso, deteco, recuperao, resilincia, outros aspectos Rede: Dinamicidade da rede (flexibilidade visando novos circuitos ou novas configuraes) Volume de dados Requisitos de tempo Garantias de atraso Padronizao Regulao e aspectos econmicos 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

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Concluso 17/10/2013 Smart grids Grande desafio Inmeras reas de pesquisa Interao entre diversas reas do conhecimento Engenharia eltrica Engenharia de telecomunicaes Cincia da computao Eficincia, escalabilidade, previsibilidade, etc. IEEE Smart Grid Workshop

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Concluso 17/10/2013 Principais temas de pesquisa Infraestrutura de comunicao para medio e monitoramento Infraestrutura de comunicao para dar suporte ao roteamento energtico Redes de controle e superviso Interoperabilidade Requisitos de tempo real Integrao de sistemas Comunicao dentro de subestaes Comunicao entre subestaes Integrao dos clientes IEEE Smart Grid Workshop

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Concluso 17/10/2013 Casas inteligentes Novas aplicaes Redes domsticas Confiabilidade/confiana de dados Privacidade e segurana Tcnicas de virtualizao para controle e superviso Redes compartilhadas entre operadoras Confiabilidade e reputao Segurana Controle de acesso IEEE Smart Grid Workshop

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Concluso 17/10/2013 Autonomia Deteco automtica Auto-recuperao Ilhamento eficiente Gerenciamento de fontes energticas Analogia entre temas de telecomunicaes e sistemas eltricos Roteamento Balanceamento de carga Gerncia de redes Sistemas distribudos Etc. IEEE Smart Grid Workshop

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Concluso 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop IEC 61850 Novo modelo de informao Suporte para sistemas com alta complexidade de gerenciamento Sistema eltrico est em processo revolucionrio Alta integrao dos sistemas Aumento da complexidade da rede Aumento da demanda por banda na rede Aumento do nmero de entidades atuando na rede

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Concluso 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop Oportunidades de pesquisa Aplicao da norma para fora da subestao Mapeamento dos protocolos existentes de acordo com a estrutura da norma Integrao de veculos eltricos, medidores inteligentes e casas inteligentes Evoluo da norma Novos mecanismos Integrao com inovaes na rea de rede

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natalia@midiacom.uff.br yona@gteccom.uff.br 17/10/2013