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Redes Convergentes no Cenário da IEC-61850

O. J. M. da MOTTA

C.A. CORDEIRO (Furnas)

M. G. CASTELLO BRANCO*

C. H. R. de OLIVEIRA (CPqD)

Sumário

• Introdução

• O conceito da inteligência distribuída na rede

• Aspectos relacionados à topologia e arquitetura das redes

Topologia estrela

Topologia em anel

Distribuição de funções entre os IEDs

• Aplicações Práticas: Compartilhamento de recursos de rede entre aplicações

• Conclusões

Introdução

• Convergência IP

• No mundo das redes de comunicação;– Inúmeras aplicações para diversos perfis de usuários / clientes sejam pessoas ou

dispositivos;

– Grande estímulo e ansiedade criados no cidadão comum

– Novas aplicações de banda larga (IPTV, VoIP, VoD, Vídeo-chamadas, etc.)

– Sobre os mais variados meios de acesso (cabo, óptico e sem fio)

– Em diferentes tipos de terminais fixos ou móveis

– Migração planejada pelas prestadoras de serviços de telecomunicações para a nova arquitetura IMS (IP Multimedia Subsystem)

• Nas redes operativas e de automação, proteção e controle ...(??)– Resistência inicial a esta convergência

– Tradicional visão crítica das operações

– Fornecimento ininterrupto de energia elétrica

– Surgimento da norma IEC-61850

– Recursos para a otimização e priorização do tráfego de mensagens operacionais críticas na rede Ethernet IP

Introdução (cont)

• Nas redes operativas e de automação, proteção e controle ...(??)– Recursos fortemente dependentes dos:

• parâmetros,

• elementos e

• arquiteturas destas novas redes convergentes,

– ... para que os requisitos operacionais não sejam afetados

– Interoperabilidade entre os diferentes elementos

– Oriundos de diferentes fabricantes

– Destinados às mais diversas aplicações que farão uso da mesma rede convergente

• P&D Furnas+ CPqD (Aneel) – 2008 / 2009– Metodologia para validar a interoperabilidade de equipamentos de

uma rede convergente voltada para automação e controle baseada na norma de comunicações estabelecida pela IEC-61850

– Estudos voltados às melhores arquiteturas e requisitos de rede que possam suportar as diferentes aplicações neste novo modelo de comunicações para ambientes de subestações de energia elétrica

O conceito da inteligência distribuída na rede

• Redes convergentes + protocolos padronizados =

• Maior diversidade de aplicações possíveis + maior flexibilidade de arquiteturas

• Distribuição dos recursos de processamento e armazenamento de informações em cada um dos elementos da rede– Dispostos convenientemente do ponto de vista físico e topológico;

– Compartilhando dados de forma rápida e segura;

– Para a correta execução de cada aplicação a que se propõem.

• Exemplo – Rede de IEDs se comunicando conforme a IEC-61850:– Atuam como servidores ou como “publishers” ou “subscribers”

– Executam funções internas associadas a:• Lógicas de proteção;

• Automação

• Controle

– Comunicam-se entre si com mensagens críticas ou disponibilizam suas bases de dados internas aos clientes (ex: IHM e SCADA)

Tipos de comunicação entre elementos numa subestação

Mapeamento para comunicação numa subestação

MMS (Manufacturing Message Specification)

TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

GOOSE (Generic Object Oriented Subestation Event)

Recursos básicos da rede

• Ethernet (Fibra ou cobre);

• Switches gerenciáveis permitindo:– QoS (Quality of Service) – priorização

– VLAN definidas na Norma IEEE 802.1p / 802.1Q

• Permite o compartilhamento de múltiplas bases de armazenamento de informações;

• Permite a divisão de responsabilidades nas ações e decisões a serem tomadas ao longo dos diferentes processos executados sobre a rede de comunicação– por exemplo, as lógicas de proteção de sistemas elétricos

Aspectos relacionados à topologia e arquitetura das redes -

Topologia em estrela

Vantagens:

1. Menor quantidade de switches(menor custo de rede associado);

2. Menor quantidade de cabos de rede e interconexões;

3. Ideal para IEDs com uma única porta Ethernet;

4. Ideal para redes que não contemplem redundância de funções entre IEDs.

Desvantagens:

1. Ausência de redundância de caminho de rede para cada IED e funções associadas;

2. Risco de igualar ou exceder a capacidade máxima de portas do switch impedindo re-configurações ou interligação de novos elementos à rede.

Topologia estrela para testes de interoperabilidade

Aspectos relacionados à topologia e arquitetura das redes -

Topologia em anel

Vantagens:

1. Redundância de caminhos para cada IED e funções associadas;

2. Maior flexibilidade para re-configurações ou expansões com interligação de novos elementos à rede;

3. Maior confiabilidade associada à redundância;

4. Recomendado para IEDs com portas redundantes Ethernet

5. Ideal para redes que contemplem redundância de funções entre IEDs criando maior segurança na execução das mesmas.

6. Permite esquemas de recuperação rápida de anel em caso de falhas nas portas (ex: RSTP= Rapid Spanning Tree Protocol) desde que disponíveis e previamente configurados nos switches utilizados.

Desvantagens:

1. Maior quantidade de switches (maior custo de rede associado);

2. Maior quantidade de cabos de rede e interconexões;

3. Maior complexidade e custo dos IEDs e switches;

Topologia em anel para testes de interoperabilidade

Distribuição de funções entre os IEDs

Aplicações Práticas: Compartilhamento de recursos de rede entre

aplicações

• Convergência entre aplicações operativas e corporativas;

• Priorização de tráfego (QoS);

• Garantia de capacidade de vazão;

• Experimento laboratorial:– IEDs numa rede compartilhada com tráfego de

informações corporativas;

– Cinco relés digitais, de diferentes fabricantes e modelos, interligados em rede;

– Retratando um esquema de lógica de proteção

Esquema para teste

Subtensão na linha A (PTUV – Função 27),

não causada por um curto-circuito na carga C (ausência de pickup 51 - PTOC),

e se E aberto e B fechado e a linha B estiver saudável

(ausência de subtensão 27 – PTUV – abaixo de 80% do nominal),

o relé A receberá o estado do disjuntor B (52 - XCBR), através do relé B,

enviará um GOOSE de “fecha E” e um trip de “abre A”.

Montagem da rede para esquema de lógica de proteção

Carregamento da rede (Emulador de tráfego)

Resultados dos testes de carregamento de tráfego na rede de relés

Evento (carregamento da

rede)

Instante lido pelo relé

E (mesmo switch 1)

Instante lido pelo relé

B (em outro switch 2)

Diferença de

leituras

Abertura Relé A (0%) 15:17:20.834 15:17:20.845 11ms

Fechamento Relé E (0%) 15:17:20.842 15:17:20.853 11ms







Importância da rede de dados convergente na interoperabilidade

• Por que apenas agora a convergência IP?– Recursos das redes não estavam maduros os

suficientes para desempenhar o processo de convergência de maneira efetiva em custo;

– Hoje em dia a convergência das redes é um desafio tecnologicamente viável que pode ser implementado em plantas com funcionalidades bastante críticas como as plantas das concessionárias de energia elétrica, atingindo requisitos tais como:

• Qualidade;

• Resiliência;

• Segurança;

• Escalabilidade;

• Gerência de redes simplificada.

Importância da rede de dados convergente na interoperabilidade

• Os elementos das novas redes IP estão ...– Enfrentando novos desafios para prover

desempenho e qualidade compatíveis com os requisitos usualmente estabelecidos para operação da planta elétrica. Até os dias de hoje, os elementos de rede eram utilizados para comunicações não críticas;

– Se tornando o foco do desenvolvimento tecnológico e evolução (ex: servidores, switches, gateways e roteadores) a fim de satisfazer os requisitos mais restritivos das plantas operacionais;

Visão da convergência pela IEC-61850

Reflexão e analogia ....

O cérebro humano e a rede convergente

• Para:– Andar

– Falar

– Ver

– Ouvir

– Pensar

– Sentir

– ....

• Você precisa de apenas uma rede de neurônios!

Conclusões • Aspectos relacionados ao projeto de uma rede convergente IP;

• Num ambiente de uma concessionária de energia elétrica;

• Visando os resultados esperados pelos usuários / clientes (humanos ou dispositivos inteligentes);

• Resultados de um projeto de pesquisa e desenvolvimento conduzido pelo CPqD e por FURNAS;

• Foco numa metodologia para testes de interoperabilidade entre dispositivos eletrônicos inteligentes;

• Numa rede Ethernet de alta velocidade baseada na Norma IEC-61850

• Permite otimizar os investimentos em infra-estrutura e equipamentos de rede;

• Permite alcançar maior flexibilidade com os serviços e aplicações;

• Fases seguintes do projeto (também já finalizadas):– Modelo básico para subestações futuras utilizando uma implementação

totalmente baseada na Norma IEC 61850.

– Conjunto de especificações mínimas para equipamentos e sistemas elétricos que se comuniquem segundo a Norma IEC 61850

Marcos Guimarães Castello [email protected](19) 3705-6543

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