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Sistemas de Automação de Subestações em IEC 61850

Process Automation


IEC61850Sistemas de Automação em Subestações em IEC 61850

O que é uma subestação?

Conceitos Fundamentais da Norma IEC 61850

Arquitetura Básica

Integração da Planta de Processos e Elétrica

Recursos de gerenciamento e Monitoramento

Plantas com automação das Subestações em IEC 61850

Apresentação do simulador


O que é uma subestação?

Uma Subestação é uma instalação elétrica de alta potência, contendo equipamentos para transmissão, distribuição, proteção e controle de energia elétrica (Fonte: Wikipedia).


Onde são usadas as Subestações?

São utilizadas como o ponto de controle e transferência em um sistema de transmissão e distribuição elétrica

Por que são usadas as Subestações?

As subestação direcionam e controlam o fluxo energético, transformando os níveis de tensão e funcionando como pontos de entrega para consumidores industriais e equipamentos dentro de empresas de processo.


Por que fazer a automação de uma subestação?

Os elementos elétricos das subestações não são ativos, precisam quealgum equipamento comande a sua operação, que pode ser umamanobra (liga, desliga), ou proteção quanto a uma falha da instalação

Como se faz automação de uma subestação?

Geralmente a automação, proteção e controle de uma subestação é realizada através dos relés de proteção.


O que é um relé de proteção? Quais funcionalidades?

São equipamentos microprocessados que são responsáveis por:

Proteção elétrica dos equipamentos estáticos da SubestaçãoEx Sobrecorrente, Subtenção, Frequência, etc

Monitoramento da qualida de energiaEx Consumo, disturbios harmonicos e qualidade de energia

Controle de equipamentosLigar e desligar, manobras em manutenção e parada de emergência

Nota: Na IEC 61850 os relés de proteção são conhecidos por IED (Intelligent Equipment Device)

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IEC61850 Sistemas de Automação em Subestações em IEC61850

São os principais componentes do sistema de automação elétrico

IEDs são os componentes responsáveis por proteção e supervisão dos equipamentos da rede elétrica

X IED

A corrente aumentou!Disjuntor, abra !

Correnteelétrica

Carga

Disjuntor


Quais as vantagens da automação das subestações?

Segurança do operador / Conformidade a NR 10.

Menor tempo de parada e reestabelecimento.

Descarte de cargas


IntroduçãoConceitos Fundamentais

Evolução na Automação de Subestações:

Dispositivos eletrônicos para controle e proteção (IEDs)

Conseqüências:

Comunicação entre equipamentos:

Protocolos proprietários por fabricantes e diversos padrões

Necessidade de padronização

Need for a global Substation Automation Standard State before IEC 61850

Switchgear/Switchyard

Station computer Station gatewayHMI

Protection IED

Protection & Control IED

Protection IED

Control IED

MODBUS DNP LON PROFIBUS 60870-5-103

60870-5-101/4

Control IED

Switchgear/SwitchyardSwitchgear/SwitchyardPROCESS LEVEL

PROCESS BUS

BAY LEVEL

STATION BUS

STATION LEVEL

Serial communication for Substation Automation is recognized for some timeHowever: A lot of different protocols and hardwiring usedPoor interoperability between different vendors Large engineering, installation and maintenance costsThe global, highly competitive market requests a standard for competitive performance and cost reduction


Introdução a IEC61850Benefícios da Padronização

Redução de Cabeamento

Redução do esforço de Engenharia

Redução do tempo de comissionamento

Redução de custo do tempo de vida da planta:SobressalentesTreinamentos


IntroduçãoNorma IEC61850

3 principais objetivos:InteroperabilidadeLiberdade de configuraçãoEstabilidade a longo prazo

É mais que um protocolo: padronizar Engenharia e Configuração de Automação de SubestaçõesRedução de custos no projeto:

Engenharia de Sistema e Integração de Dispositivos mais eficientesReduz esforços de projeto e comissionamentoMenores custos de infra-estrutura de comunicação, manutenção e instalaçãoCabeamento simplificado

Protocolos de comunicação de alta performance conectam os IEDs

Informação disponível com integridade


ConceitosTipos de Comunicação - Vertical

Station Computer(IEC 61850 OPC Server)

Protection

Process Interface Process Interface Process Interface

ControlProtectionControl Control &Protection

MMS


ConceitosTipos de Comunicação - Horizontal

Protection

Process Interface Process Interface Process Interface

ControlProtectionControl Control &Protection

GOOSEGeneric Object Oriented Substation Event

Station Computer(IEC 61850 OPC Server)

Communication ServicesConventional hardwiring for horizontal communication

Interlocking, shared voltage signals…External signals

LocalSCS

Station bus

External signals

Local SCS

Copper-wired inter-bay signals like: Time synch, Protection blocking, Control interlocking…

Communication ServicesGOOSE for horizontal communication

Monitoring, control, settingsInterlocking, shared external signals Time synchronizationStation bus IEC 61850

External signals

Control system- SCS & GW

LocalHMI

Inter-bay signals using IEC 61850 and GOOSE


800xA – Gerenciamento de dispositivosIEC61850: Integração

IEC68150

800xA

IEC61850

MMS

GOOSE

Horizontal- real time application

Vertical- A/E, Condition Monitoring, Faceplate

Operation, Disturbance Recording


Comparativo IEC 61850 X MODBUS e PROFIBUS Norma IEC 61850 – Bloqueio de atuação

X

X

PHLPTOC-start (50)

block-PHLPTOC –(50)

Quem está interessado?

Sim, eu estou!

Eu vou bloquear o

Instantâneo de sobrecorrente

IEC 61850-8-1

Tempo do operação da função instantaneada proteção de sobrecorrente (REF615

GOOSE approach)

Margem segura, ex. Atraso na operação devido a saturação do TC

40ms

Proteção de sobrecorrente começa a atrasar

20ms

Reatardo do tempo do estágio de block da sobrecorrente

5ms

Tempo da mensagem GOOSE (Classe 1)

<3ms

ALL TOGETHER ~70ms


X

X

IED “B”

IED “A”

GOOSE message

Acionar a função

de falha de disjuntor

Meu disjuntor

não está abrindo!

OK, Eu ouvi!

Eu abrirei o

Meu disjuntor

Ao detectar uma falha no alimentador de saída o IED B envia comando de disparo para o disjuntor “B” e inicia a função de proteção contra falha do disjuntor

O disjunto “B” falha na abertura

A função de proteção contra falha do disjuntor do IED B envia um comando de disparo para a IED A usando GOOSE

O uso da comunicação GOOSE elimina a necessidade de cabeamento dedicado

A proteção contra falha do disjuntor pode ser adicionada sem a troca dos cabos e com um mínimo de perturbações no do processo

REF615

REF615

Comparativo IEC 61850 X MODBUS e PROFIBUSNorma IEC 61850 – Falha de Disjuntor


Comparativo IEC 61850 X MODBUS e PROFIBUS Norma IEC 61850 – Bloqueio e Falha de atuação

ConceitosEstrutura de dados: Logical Nodes

Exemplo: operação (comando) de um disjuntor

Interface física

CampoSistema Controle

FecharDisjuntor

Disjuntor fechado

Comando executado

Comando

IHMI CSWI XCBR

Physical DeviceLVD97010MCAD(network address)

Logical DeviceLVD97010MCADCTRL1

XCBR1 XCBR1

PosPos

stVal

Logical Nodes

q


Introdução ao IEC-61850Logical Nodes

LVD97010MCAD. LVD97010 MCADCTRL1. XCBR1.Pos.stVal= Status value of position of circuit breaker #1

Data Object

Data Attributes

stVal (0,1,2 ou 3) = intemediate, off, on, bad-state


Introdução ao IEC-61850 Estrutura de dados: Logical Nodes

Tabela 1. Grupos de Logical Nodes definidos na norma IEC61850 – 07/2003

Fonte: IEC 61850 – Part 5


Instantaneous overcurrent: PIOC

Time overcurrent: PTOC

Voltage controlled time overcurrent: PVOC

Over power factor: POPF

Under power factor: PUPF

Overvoltage: PTOV

Ground detector: PHIZ

Phase angle measuring: PPAM

Over frequency: PTOF

Under frequency: PTUF

Rate of change of frequency: PFRC

Differential: PDIF

Motor restart inhibition: PMRI

Motor starting time supervision: PMSS

Alarm handling: CALHInterlocking: CILOCooling Group Control: CCGRPoint-on-wave switching: CPOWSwitch controller: CSWICircuit breaker: XCBRCircuit switch: XSWIGeneric process I/O: GGIO

Introdução ao IEC-61850Logical Nodes


Introdução ao IEC-61850 Engineering Workflow (geral)

LINH

A DO

TEMPO

Projetista/Configurador dos IEDs

1) Estruturação dosIEDs, em Logical Nodes,de acordo com função

3) Configuração dacapabilidade de cadaIED, na ferramentafornecida pelo fabricante

5) Configuração dalógica e recepção/enviode dados de cada IED,na ferramenta fornecidapelo fabricante

5’) Configuração dalógica e recepção/enviode dados de cada IED,na ferramenta fornecidapelo fabricante

Projetista do Sistema de Controle/Supervisão

2) Configurações da Rede de IEDs:

- Estrutura/Diagrama daRede

- Diagramas Unifilares

4’) Mapeamento daComunicação na Rede:

- Troca de MensagensMMS e GOOSE

4) Mapeamento daComunicação na Rede -Troca de MensagensMMS e GOOSE

Interface/Troca de info: Cliente

Organização da Rede de IEDs, com a

divisão de LNs, tags e IPs

Estrutura dos IEDs em

Logical Nodes

Arquivos .icd e Mapeamento da Troca de

Dados (MMS, GOOSE) para

cada IEDArquivo .scd

da rede inteira

Arquivos .icd/.cid/.scd

revisadospara cada IED

Arquivo .scd da rede inteira

revisado

ciclo


Introdução ao IEC-61850 Conceitos básicos da norma IEC61850: Tipos de arquivos

Arquivo “.icd”Informação de um único IED, com:

Obrigatório: Logical Nodes disponíveis

Opcional: Data Sets; Control Blocks; Tag; IP

Arquivo “.scd”Configuração de toda uma subestação

Mapeamento da comunicação entre IEDs e entre IED e Sistema de Supervisão e Controle


Introdução ao IEC-61850 Problemas na importação dos arquivos ICD e SCD

ICD SCD


Introdução ao IEC-61850 Comunicação GOOSE

Grande trunfo da norma IEC61850Mensagens de trip mais rápidas que “fiadas”

Alguns equipamentos: somente MMS

Checar certificado KEMA

Checar “Services” no arquivo ICD

Alguns falam via GOOSE não crítico

Classe de mensagens P1B

Checar manual


Introdução ao IEC-61850Pontos Fortes

InteroperabilidadeCapacidade de dois ou mais IED’s trocar informaçõese posterior uso em funções específicas (IEC 61850-1)

IntercambiabilidadeHabilidade de substituir um IED de um fabricante poroutro sem prejuízo ao sistema (IEC 61850-1)


Equipamentos e InstalaçõesEthernet

A norma IEC61850 não entra no mérito de instalações

Estabelece que será seguido o padrão EthernetGarantia de “estabilidade a longo termo” (“future proof”)

Quaisquer soluções Ethernet atendem à IEC61850Fibras óticas (Multimodo; Monomodo; conectores SFP)

Switches e Roteadores

Única restrição: 100 Mb/s apenas

Equipamentos e InstalaçõesSwitches

03 requisitos essenciais:

Quality of Service (QoS): Priority Tagging

Protocolo de Recuperação de rede: Rapid Spanning Tree

Gerenciamento de VLAN (para GOOSE)

Exigências por conta do ambiente de instalação: SE’s

Robustez pelo ambiente

Suportar grande faixa de temperaturas

Sem partes móveis - Exaustores (norma de Subestações)

Necessidade de aplicação:

Recuperação de anel/RST rápida (< 50 a 100ms)

Equipamentos e InstalaçõesGPS

Sincronismo de horário

Grande importância organização de eventos

No passado: diversidade de protocolos de sincronismo de tempo

Norma IEC61850 estabelece o protocolo SNTP

Opera sobre Ethernet mesmo meio físico

Tempos de até 1ms

Aparelhos GPS

Sincronismo absoluto na planta inteira, no mundo inteiro

ConceitosArquitetura Básica

Ligação típicaIEDs em estrela até o switch

Switches em anel: economia no uplink, e confiabilidade na troca de informações

Mais comum em grandes subestações


Recursos de gerenciamento e monitoramentoPower Managment

Load Shedding

Monitoramento das causas de sobrecarga e tomada de medidas para minimizar a diminuição de potência

Fast; Under-Frequency; e Overload Load Shedding

Power Control

Monitoramento da potência da planta

Power Control; Network Config; Central Mode Manager

Synchronization

Supervisão da rede elétrica e objetos relacionados (CB, Gen)

Interface com outros CMs: geradores e disjuntores

Aplicações de automação em IEC 61850 Filosofia do Sistema 800xA

Gerenciamento Comum de Informação

Centralized Historian and

Data Archiving

Gerenciamento comum de ativos

Sistema com arquitetura comum

Engenharia Comum Operação Comum

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