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COORDENA ¸ C ˜ AO DO TR ´ AFEGO DE MENSAGENS GOOSE UTILIZANDO A L ´ OGICA FUZZY Filipe Bispo Lima * , Jos´ e Medeiros de Ara´ ujo J´ unior * , J´ ordan Joeslley Alves Marques * * Departamento de Engenharia El´ etrica, Universidade Federal do Piau´ ı Campus Universit´ario Ministro Petrˆonio Portella, Bairro Ininga Teresina, Piau´ ı, Brasil, CEP 6409-550 Emails: [email protected], [email protected], [email protected] Abstract— This article aims to present concepts about Substation Automation Systems (SAS), that work in accordance with an IEC 61850 standard, highlighting the benefits of using GOOSE messages in the logical selectivity of electrical substation equipment. In addition, a new GOOSE packet repetition algorithm based on Fuzzy logic is proposed, through the Scapy interpreter for Python. The GOOSE ethernet packets are generated according to the pre-fault condition of the electrical system and the protection relay’s operating time can in some cases be decreased. Keywords— Substation Automation System (SAS), standard IEC 61850, GOOSE, Fuzzy Logic. Resumo— Este artigo tem por objetivo apresentar conceitos sobre Sistemas de Automa¸c˜ao de Subesta¸c˜oes (SAS), que trabalham em conformidade com a norma IEC 61850, destacando os benef´ ıcios da utiliza¸ c˜aodas mensagens GOOSE na seletividade l´ogica dos equipamentos das subesta¸c˜ oes de energia el´ etrica. Adicionalmente, ´ e proposto um novo algoritmo de repeti¸c˜ ao dos pacotes GOOSE baseadonal´ogica Fuzzy, atrav´ es do interpretador Scapy para Python. Os pacotes ethernet GOOSE s˜ao gerados de acordo com a condi¸c˜ao pr´ e-falta do sistema el´ etrico e o tempo de atua¸ c˜aodosrel´ es de prote¸ c˜ao, em alguns casos, pode ser diminu´ ıdo. Palavras-chave— Sistemas de Automa¸c˜ ao de Subesta¸c˜ oes (SAS), norma IEC 61850, GOOSE, L´ ogica Fuzzy. 1 Introdu¸c˜ ao Os Sistemas de Automa¸c˜ ao de Subesta¸ oes (SAS) atuais, baseados na tecnologia dos dispo- sitivos eletrˆ onicos inteligentes (IEDs, da sigla em inglˆ es), favorecem a interoperabilidade entre equi- pamentos de diferentes fabricantes em conformi- dade com a norma IEC 61850. A comunica¸ ao entre os dispositivos dos sistemas PAC (Prote¸ ao Automa¸c˜ ao e Controle) das subesta¸ oes, antes re- alizada atrav´ es de conex˜ oes f´ ısicas entre entradas e sa´ ıdas bin´ arias de equipamentos, come¸ ca a uti- lizar um meio digital para a troca de informa¸c˜ oes atrav´ es das mensagens GOOSE (Generic Orien- ted Object Substation Event ). As mensagens GOOSE ao utilizadas, por exemplo, para enviar informa¸c˜ oes sobre a atua- ¸c˜ ao dos rel´ es de prote¸c˜ ao (substituindo a comu- nica¸c˜ ao bin´ aria). J´ a as mensagens de valor amos- trado (Sampled Value, do termo em inglˆ es) enviam informa¸c˜ oes de corrente e tens˜ ao el´ etrica do sis- tema, em formato digital, atrav´ es da rede ether- net (substituindo os sinais anal´ ogicos convencio- nais). Uma das vantagens desse novo modelo est´ a na redu¸ ao do tempo de elimina¸c˜ ao da falta, au- mentando a vida ´ util do disjuntor, do componente protegido e ajudando a manter a estabilidade do sistema el´ etrico (Pereira Jr et al., n.d.). Os pacotes ethernet GOOSE possuem car´ ater multicast agent, ou seja, em um arranjo de IEDs conectados a uma rede local, as mensagens envia- das por um dispositivo (Publisher ) atingem todos os pontos de conex˜ ao da rede. Para agilizar a co- ordena¸ ao da prote¸c˜ ao dos sistemas de potˆ encia, apenas os IEDs assinantes (subscribers ) est˜ ao ha- bilitados a trabalhar logicamente com os frames. Outro recurso utilizado para reduzir os tempos de trip dos equipamentos nas subesta¸ oes, e aumen- tar a probabilidade do recebimento dos pacotes pelos IEDs destinat´ arios, ´ e a repeti¸c˜ ao do envio de mensagens GOOSE mesmo na situa¸ ao est´ avel do sistema. Nesse caso, as mensagens s˜ ao conti- nuamente enviadas com atributo false e, quando da ocorrˆ encia de uma falta, um valor true passa a compor o pacote (Apostolov et al., 2012). Nos algoritmos tradicionais de repeti¸ ao, o au- mento do n´ umero de pacotes ´ e realizado de forma abrupta no momento em que ocorre uma falta. A l´ ogica Fuzzy ou nebulosa lida com situa¸c˜ oes de ao-linearidade e com cen´ arios intermedi´ arios en- tre est´ agios discretos bem definidos (Zadeh, 1996). A aplica¸ ao dos processos de inferˆ encia fuzzy, para estabelecer a quantidade de pacotes GOOSE dos sistemas de automa¸ ao das subesta¸ oes, fornece um aumento gradual do n´ umero de frames ether- net, garantindo um tr´ afego maior de mensagens na iminˆ encia de um novo dist´ urbio el´ etrico e uma redu¸ ao tempo de atua¸c˜ ao dos rel´ es de prote¸ ao em algumas situa¸c˜ oes de seletividade l´ ogica. Em Apostolov (2015) s˜ ao apresentados con- ceitos b´ asicos sobre os pacotes GOOSE, desta- cando vantagens e desvantagens em rela¸c˜ ao aos tradicionais modelos que usam contatos bin´ arios. a em Carmo et al. (2015) uma an´ alise de tr´ afego ethernet ´ e realizada, para avaliar a seguran¸ca e o desempenho dos sistemas de automa¸ ao que lidam com o padr˜ ao IEC 61850. No trabalho de Lopes et al. (2015), al´ em de uma an´ alise da performance XIII Simp´osio Brasileiro de Automa¸ ao Inteligente Porto Alegre – RS, 1 o – 4 de Outubro de 2017 ISSN 2175 8905 1564

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COORDENACAO DO TRAFEGO DE MENSAGENS GOOSE UTILIZANDO ALOGICA FUZZY

Filipe Bispo Lima∗, Jose Medeiros de Araujo Junior∗, Jordan Joeslley Alves Marques∗

∗Departamento de Engenharia Eletrica, Universidade Federal do PiauıCampus Universitario Ministro Petronio Portella, Bairro Ininga

Teresina, Piauı, Brasil, CEP 6409-550

Emails: [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract— This article aims to present concepts about Substation Automation Systems (SAS), that workin accordance with an IEC 61850 standard, highlighting the benefits of using GOOSE messages in the logicalselectivity of electrical substation equipment. In addition, a new GOOSE packet repetition algorithm based onFuzzy logic is proposed, through the Scapy interpreter for Python. The GOOSE ethernet packets are generatedaccording to the pre-fault condition of the electrical system and the protection relay’s operating time can in somecases be decreased.

Keywords— Substation Automation System (SAS), standard IEC 61850, GOOSE, Fuzzy Logic.

Resumo— Este artigo tem por objetivo apresentar conceitos sobre Sistemas de Automacao de Subestacoes(SAS), que trabalham em conformidade com a norma IEC 61850, destacando os benefıcios da utilizacao dasmensagens GOOSE na seletividade logica dos equipamentos das subestacoes de energia eletrica. Adicionalmente,e proposto um novo algoritmo de repeticao dos pacotes GOOSE baseado na logica Fuzzy, atraves do interpretadorScapy para Python. Os pacotes ethernet GOOSE sao gerados de acordo com a condicao pre-falta do sistemaeletrico e o tempo de atuacao dos reles de protecao, em alguns casos, pode ser diminuıdo.

Palavras-chave— Sistemas de Automacao de Subestacoes (SAS), norma IEC 61850, GOOSE, Logica Fuzzy.

1 Introducao

Os Sistemas de Automacao de Subestacoes(SAS) atuais, baseados na tecnologia dos dispo-sitivos eletronicos inteligentes (IEDs, da sigla emingles), favorecem a interoperabilidade entre equi-pamentos de diferentes fabricantes em conformi-dade com a norma IEC 61850. A comunicacaoentre os dispositivos dos sistemas PAC (ProtecaoAutomacao e Controle) das subestacoes, antes re-alizada atraves de conexoes fısicas entre entradase saıdas binarias de equipamentos, comeca a uti-lizar um meio digital para a troca de informacoesatraves das mensagens GOOSE (Generic Orien-ted Object Substation Event).

As mensagens GOOSE sao utilizadas, porexemplo, para enviar informacoes sobre a atua-cao dos reles de protecao (substituindo a comu-nicacao binaria). Ja as mensagens de valor amos-trado (Sampled Value, do termo em ingles) enviaminformacoes de corrente e tensao eletrica do sis-tema, em formato digital, atraves da rede ether-net (substituindo os sinais analogicos convencio-nais). Uma das vantagens desse novo modelo estana reducao do tempo de eliminacao da falta, au-mentando a vida util do disjuntor, do componenteprotegido e ajudando a manter a estabilidade dosistema eletrico (Pereira Jr et al., n.d.).

Os pacotes ethernet GOOSE possuem caratermulticast agent, ou seja, em um arranjo de IEDsconectados a uma rede local, as mensagens envia-das por um dispositivo (Publisher) atingem todosos pontos de conexao da rede. Para agilizar a co-ordenacao da protecao dos sistemas de potencia,

apenas os IEDs assinantes (subscribers) estao ha-bilitados a trabalhar logicamente com os frames.Outro recurso utilizado para reduzir os tempos detrip dos equipamentos nas subestacoes, e aumen-tar a probabilidade do recebimento dos pacotespelos IEDs destinatarios, e a repeticao do enviode mensagens GOOSE mesmo na situacao estaveldo sistema. Nesse caso, as mensagens sao conti-nuamente enviadas com atributo false e, quandoda ocorrencia de uma falta, um valor true passa acompor o pacote (Apostolov et al., 2012).

Nos algoritmos tradicionais de repeticao, o au-mento do numero de pacotes e realizado de formaabrupta no momento em que ocorre uma falta.A logica Fuzzy ou nebulosa lida com situacoes denao-linearidade e com cenarios intermediarios en-tre estagios discretos bem definidos (Zadeh, 1996).A aplicacao dos processos de inferencia fuzzy, paraestabelecer a quantidade de pacotes GOOSE dossistemas de automacao das subestacoes, forneceum aumento gradual do numero de frames ether-net, garantindo um trafego maior de mensagensna iminencia de um novo disturbio eletrico e umareducao tempo de atuacao dos reles de protecaoem algumas situacoes de seletividade logica.

Em Apostolov (2015) sao apresentados con-ceitos basicos sobre os pacotes GOOSE, desta-cando vantagens e desvantagens em relacao aostradicionais modelos que usam contatos binarios.Ja em Carmo et al. (2015) uma analise de trafegoethernet e realizada, para avaliar a seguranca e odesempenho dos sistemas de automacao que lidamcom o padrao IEC 61850. No trabalho de Lopeset al. (2015), alem de uma analise da performance

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e confiabilidade dos sistemas, e implementado umgerador de pacotes GOOSE atraves do Scapy e saodissertados conceitos sobre a configuracao e com-portamento dos frames ethernet GOOSE. Nesteartigo foi utilizada a logica Fuzzy e o interpre-tador Scapy, para produzir pacotes GOOSE deacordo com os parametros do sistema de prote-cao (corrente eletrica circulante e tipo de curvade protecao.) e promover o intertravamento lo-gico entre os reles numericos. Na realizacao dostestes foi usada a funcao de sobrecorrente tempo-rizada nao-direcional (51), o rele de protecao dealimentador P142, o rele de distancia P435 e orele diferencial P632 da Schneider Electric.

2 Proposito

Neste trabalho, a logica Fuzzy e usada naidentificacao das condicoes pre-falta do SistemaEletrico de Potencia, de modo a coordenar o fluxode pacotes GOOSE. A repeticao dos frames e feitaconforme os limiares da corrente eletrica configu-rada para a funcao de sobrecorrente temporizadanao-direcional (51). A norma IEC 61850 ja es-tabelece algoritmos de ajuste sobre a quantidadede mensagens GOOSE, que devem ser enviadaspor um IED, de acordo com cada situacao do sis-tema. A utilizacao de uma tecnica de InteligenciaComputacional (IC), no entanto, pode otimizar otrafego dos pacotes ethernet.

Considerando um Sistema Eletrico de Poten-cia em arranjo radial e cujo alıvio da sobrecor-rente pode ser realizado atraves da exclusao deramais das cargas nao-prioritarias, e relevante aadocao de procedimentos basicos para a reducaodo tempo de atuacao dos reles digitais e o respec-tivo intertravamento logico entre equipamentos nobarramento de uma subestacao de energia eletrica.Durante o processo de coordenacao da protecao dosistema, e recomendavel que sejam desligados osdisjuntores dos circuitos mais a jusante da insta-lacao, para evitar inconvenientes proporcionadospelas interrupcoes do fornecimento de energia ele-trica (Mamede Filho e Mamede, 2016).

A ideia e realizar o desligamento dos circuitosprotegidos por um IED, mediante o recebimentode um pacote originario de um rele mais a jusante.Ao contrario dos algoritmos tradicionais de repe-ticao dos pacotes GOOSE ; que enviam os framesethernet segundo um intervalo maximo de repeti-cao, e apenas durante uma falta aumentam o nu-mero de pacotes enviados (Ribeiro et al., 2016);usar a logica nebulosa para obter a quantidadede mensagens defuzzificada, faz o fluxo de pacotesGOOSE ser aumentado gradualmente e de ma-neira proporcional em relacao as condicoes do sis-tema eletrico, ou seja, na iminencia de uma novafalta, mais pacotes comporao a rede ethernet e otempo de chegada da informacao a outro rele amontante pode ser menor.

3 Protecao de SobrecorrenteTemporizada

Os reles de sobrecorrente sao os mais comu-mente utilizados como dispositivos de protecao emqualquer sistema de potencia industrial ou de dis-tribuicao. Na Protecao dos Sistemas Eletricos es-ses reles fornecem, ainda, uma protecao de reta-guarda para todos os demais subsistemas que naosao protegidos por equipamento eletronico especı-fico (Micom, 2014). A figura 1 mostra uma curvaIEC normalmente inversa em um teste para umacorrente de falta que varia entre 1,5 A e 5 A paraum valor de pickup em 1 A. A curva e denominadade tempo inversa, porque quanto maior a correntede falta, menor devera ser o tempo de atuacao dorele. Este teste foi realizado para o rele de sobre-corrente P142 da Schneider Electric.

Os pontos marcados em verde sobre a curvada figura 1 representam o momento em que o relede protecao atuou e a operacao de trip foi habi-litada. As curvas de sobrecorrente temporizadageralmente sao de tempo inverso para evitar quecircule por muito tempo no sistema uma correnteeletrica de falta prejudicial aos equipamentos. Du-rante a realizacao dos testes e importante nao sub-meter os transformadores de corrente dos reles auma corrente eletrica superior a 5 A, porque paraalem desse limite de conducao os dispositivos re-duzem a vida util de suas partes componentes.Outra consideracao importante e que os ensaiosde degraus de corrente devem iniciar com um va-lor mınimo maior que o de pickup.

Figura 1: Curva de sobrecorrente normal inversa temporizadanao direcional.

Os reles de protecao utilizados para a realiza-cao dos testes sao de um mesmo fabricante, masa norma IEC 61850 e aplicavel a varios outrosequipamentos de diferentes fornecedores. O IEDP435 tem a funcao de distancia (21) como prin-cipal modalidade de protecao, e essa funcao per-mite localizar o ponto de uma falta baseada naimpedancia da linha de transmissao adjacente aotrecho de um curto-circuito. Para o rele P632 a

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funcao da protecao diferencial de transformador ea principal (87). A funcao diferencial de transfor-mador identifica e protege os equipamentos contrasituacoes de correntes eletricas de fuga. O rele dealimentador P142 tem a funcao de sobrecorrente(50/51) como prioritaria. Todos os reles possuema funcao 51 como protecao de retaguarda e estasera considerada para fazer os testes deste artigo.

Para emular um sistema amplo que utilizacomunicacao por pacotes GOOSE sao colocadosalguns equipamentos conectados a mesma redeethernet que sao configurados como publishers dediversos pacotes das varias funcoes de protecao.Outro recurso usado e a parametrizacao dos IEDspara serem subscribers de um mesmo pacote, au-mentando assim a disputa por certos frames e ca-racterizando um sistema maior e com extravio demensagens. Ademais, conforme e feito neste tra-balho, os transformadores de corrente dos IEDssao conectados em serie para que os dispositi-vos enviem mais pacotes ao mesmo tempo quandoocorre uma falta.

Na figura 2 e apresentado o esquema basicodos barramentos de comunicacao e dos nıveis dosSistemas de Automacao de Subestacoes (SAS).

Figura 2: Sistemas de Automacao de Subestacoes conforme anorma IEC 61850.

Para ilustrar a dinamica das mensagens GO-OSE, na protecao dos sistemas eletricos, e de-monstrada a seguir a captura de mensagens atra-ves do software Wireshark. Uma configuracaode um dataset simples foi utilizada para os re-les P142, P435 e P632 da Schneider Electric.Quando da configuracao dos datasets para a fun-cao de sobrecorrente temporizada nao-direcional(51), foram escolhidas duas mensagens boolea-nas que podem assumir atributos true ou false deacordo com as condicoes de falta do sistema.

Um arquivo SCL (Substation ConfigurationLanguage) ou CID (Configuration IED Descrip-tion) pode ser gerado atraves do rele de protecao,para posterior uso da mesma configuracao de da-

dos em outros equipamentos de fabricantes dife-rentes (IEC 61850-6, 2004). Para este exemplo,as mensagens com sufixo .str representam a cor-rente eletrica de pickup configurada para o IED, jaas mensagens de sufixo .op sao referentes a ope-racao de trip dos dispositivos, segundo a normaIEC 61850. Cada funcao de protecao tem umaterminologia especıfica.

Nesse caso as duas mensagens sao enviadas,em carater multicast, transportando o respectivovalor booleano (true ou false) de acordo com acorrente eletrica que circula no TC (Transforma-dor de Corrente) do equipamento. Por exemplo,se a corrente circulante e inferior a de pickup, am-bas as mensagens terao atributo false, conforme afigura 3 (IEC 61850-1, 2004).

Figura 3: Captura de pacotes cujas mensagens de trip epickup possuem valor false.

No entanto se a corrente no TC atinge o valorde pickup, as mensagens de sufixo .str assumemvalor true. A figura 4 mostra esse caso.

Figura 4: Captura de pacotes onde a mensagem de pickuptem valor true e a de trip tem valor false.

Outra variavel importante a ser considerada,quando da manipulacao de frames ethernet, e oTTL (Time To Live) das mensagens. O TTL in-dica o perıodo de tempo que um pacote estarahabilitado para procurar seu destinatario, atravesdo melhor caminho possıvel. Se o tempo limite

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for alcancado, o pacote ethernet e descartado darede e a informacao de atuacao dos dispositivos deprotecao e perdida. Para os reles digitais utiliza-dos neste trabalho, o Time To Live das mensagensGOOSE fica em torno de 2000ms e o intervalo derepeticao maximo entre os pacotes e de 1 segundo.As mensagens sao transmitidas em maior quanti-dade apenas quando uma falta ocorre no sistema.

Se apos a corrente atingir o valor de pickupa falta permanecer por algum tempo, a operacaode trip e ativada e ambas as mensagens recebemvalor true, conforme a figura 5.

Figura 5: Captura de pacotes cujas mensagens de trip epickup possuem valor true.

Cada rele de protecao possui algoritmos espe-cıficos para promover a repeticao de pacotes GO-OSE, de modo a garantir maior possibilidade derecebimento das mensagens pelos IEDs assinan-tes. Mesmo com o sistema trabalhando em con-dicoes normais, frames ethernet circulam conti-nuamente entre equipamentos de uma subestacaoque trabalha em conformidade com a norma IEC61850. Evidentemente, na condicao de falta dosistema, o intervalo de retransmissao dos framese reduzido e mais mensagens ethernet passam acircular na rede de comunicacao.

Porem, quando da utilizacao de muitos equi-pamentos conectados a rede local de uma subesta-cao, o tempo de extincao de uma falta e aberturade um disjuntor torna-se um parametro crıticopara a coordenacao da protecao. Embora o tempode atraso dos pacotes GOOSE, para a transmissaode uma mensagem de trip, ainda seja inferior a 3ms (padrao normativo) para as topologias ring estar, mesmo aumentando o numero de switches eequipamentos de protecao (LOPES, 2015), aindae relevante considerar situacoes de pre-falta paragerenciar o trafego dos frames.

Dessa forma, a logica Fuzzy pode representaruma ferramenta valiosa para definir estagios in-termediarios da condicao pre-falta do sistema depotencia e, mediante processo de defuzzificacao,estabelecer a quantidade de pacotes ethernet quedeverao ser enviados para a rede local da subes-

tacao. Para o processo de inferencia fuzzy, fo-ram utilizadas como variaveis linguısticas o tipode curva da funcao de protecao de sobrecorrentetemporizada nao-direcional (51) e o valor de cor-rente eletrica circulante no TC de uma das fasesdos reles de protecao. Essas variaveis foram esco-lhidas porque existe uma correlacao entre elas e otempo de atuacao dos dispositivos de protecao.

Por serem equipamentos muito caros, e queraramente estao acessıveis para treinamento defuncionarios em empresas do setor eletrico, ou emuniversidades, um dos objetivos deste trabalho etambem apresentar uma rotina simples para enviode mensagens GOOSE. Para estabelecer a quanti-dade de pacotes a serem enviados na rede ethernet,foram definidas 09 regras de inferencia Fuzzy quesao manipuladas no software MATLAB R©, e queresultam em um valor de saıda defuzzificado, re-presentando a quantidade de pacotes que deveraoser transmitidos pelo Scapy.

4 Metodos e Resultados

Para coordenar o trafego das mensagens GO-OSE foram criadas variaveis linguısticas para oprocesso de inferencia Fuzzy. A variavel curva deprotecao pode assumir os conceitos: IEC normalinversa, IEC muito inversa ou IEC extremamenteinversa. A outra variavel linguıstica e referente aovalor de corrente que circula no transformador decorrente de medicao do IED que envia as mensa-gens. Esta corrente eletrica pode ter qualificacao:baixa, media ou alta.

A terceira variavel linguıstica diz respeito aquantidade de pacotes GOOSE a ser enviada porsegundo, de acordo com os valores de corrente notransformador e do tipo de curva de protecao desobrecorrente temporizada nao direcional; a velo-cidade de transmissao pode ser baixa, media oualta. A ideia e analisar os valores de entrada parao processo de inferencia Fuzzy continuamente, demodo que a quantidade de pacotes demandadaseja alterada dinamicamente de acordo com a si-tuacao do sistema eletrico em tempo real.

Foram escolhidos vetores de teste com dadosde corrente eletrica e do tipo de curva de protecaoprojetada. Entao, mediante inferencia, produz-seuma saıda defuzzificada que traduz a velocidadede propagacao dos frames GOOSE. Uma rotinano software MATLAB R© realizou o processo de in-ferencia Fuzzy e determinou a quantidade de pa-cotes resultante para cada situacao. Ao mesmotempo, uma programacao escrita em Python uti-lizando o interpretador Scapy, recebe o parametrodefuzzificado e adota-o como referencia para a es-colha do numero de pacotes para enviar na redeethernet. Para a execucao dos testes foram usa-dos pacotes GOOSE com TTL de cerca de 500mspara evitar a sobrecarga da rede ethernet e garan-tir um bom desempenho do trafego (Secdev, 2008).

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Elaboraram-se as seguintes regras Fuzzy :

1. Se a curva e IEC normal inversa e corrente ebaixa, entao a velocidade goose e baixa;

2. Se a curva e IEC normal inversa e corrente eme-dia, entao velocidade goose e baixa;

3. Se curva e IEC normal inversa e corrente ealta entao velocidade goose e media;

4. Se curva e IEC muito inversa e corrente ebaixa entao velocidade goose e media;

5. Se curva e IEC muito inversa e corrente emedia entao velocidade goose e media;

6. Se curva e IEC muito inversa e corrente e altaentao velocidade goose e alta;

7. Se curva e IEC extremamente inversa e cor-rente e baixa entao velocidade goose e media;

8. Se curva e IEC extremamente inversa e cor-rente e media entao velocidade goose e alta;

9. Se curva e IEC extremamente inversa e cor-rente e alta entao velocidade goose e alta;

Os graficos da funcoes de pertinencia foramobtidos atraves do software MATLAB R©. Na fi-gura 6 e mostrada a variavel linguıstica referenteao valor da corrente eletrica no transformador decorrente.

Figura 6: Funcoes de pertinencia para a variavel linguısticacorrente eletrica no TC.

O universo de discurso da variavel de cor-rente eletrica esta definido entre 0 e 5 amperes.Considera-se que este intervalo de valores de cor-rente eletrica seja referente ao secundario do trans-formador de medicao da subestacao, dessa forma,enquanto no primario circulam correntes da or-dem das centenas de amperes, no secundario fluiuma corrente menor e proporcional. Para a es-colha das variaveis linguısticas deve-se verificaruma boa correlacao entre os valores de entradae saıda do processo de inferencia Fuzzy (Keller etal., 2016). Em se tratando da corrente eletrica,e observado um ganho inversamente proporcionalao tempo de atuacao dos reles e um comporta-mento de proporcao direta em relacao ao numerode pacotes GOOSE. Da mesma maneira, o tipo de

curva de protecao tambem exerce influencia sobreo desempenho dos IEDs. A variavel linguıstica dotipo de curva de protecao e destacado na figura 7.

Figura 7: Funcoes de pertinencia para a variavel linguısticatipo de curva de protecao.

Curvas do tipo normal inversa, por exemplo,possuem um comportamento mais suave de de-crescimo do tempo de trip em relacao ao aumentoda corrente eletrica e, portanto, nao fazem a pro-tecao atuar mais rapidamente do que as curvasmuito inversa ou extremamente inversa. Para estecaso, as funcoes de pertinencia sao definidas entreos valores de 2 e 12 unidades, caracterizando opeso que tem o tipo de curva na atuacao da pro-tecao. Na figura 8 e apresentada a funcao de perti-nencia referente a quantidade de pacotes GOOSEque devem ser enviadas na rede ethernet.

Figura 8: Funcoes de pertinencia para a variavel linguısticavelocidade GOOSE.

Os limites entre 4 e 12 pacotes por segundoestao definidos para garantir agilidade na atuacaodos IEDs e fluidez do sistema de comunicacao (Pe-reira Junior et al., 2009). A sintonia das funcoesde pertinencia priorizou o simples aumento gra-dual e proporcional do numero de frames GOOSEcontrastando com o aumento abrupto de pacotescoordenado pelos algoritmos de repeticao tradici-onais (IEC 61850-5, 2004).

Foram adotados os seguintes parametrosFuzzy para o processo de inferencia:

• 500 pontos de discretizacao para todos os uni-versos de discurso;

• Composicao do tipo maximo-mınimo;

• Operador de implicacao de Mandani;

• Operador de maximo para agregacao;

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• Operador de mınimo para conectivo ”e”;

• Metodo do Primeiro Maximo para retornaros valores do processo de defuzzificacao.

Na figura 9 e mostrado o mecanismo de re-peticao dos pacotes GOOSE para um algoritmotradicional.

Figura 9: Mecanismo de repeticao dos pacotes GOOSE paraos algoritmos tradicionais.

A vantagem de se utilizar a logica difusa pararealizar a seletividade logica com as mensagensGOOSE, esta na possibilidade da interpretacao deestagios intermediarios das condicoes pre-falta doSistema Eletrico de Potencia, para inferir a velo-cidade de transmissao dos pacotes (Lilly, 2010).Dessa forma, o aumento do numero de mensagensGOOSE acontece de forma gradual e no instanteanterior a um novo evento, o fluxo de pacotes emaior e a informacao de atuacao atinge os IEDsassinantes mais rapidamente em relacao aos sis-temas tradicionais. E mostrada na figura 10 aestrutura do pacote GOOSE para as mensagensreferentes ao trip e ao pickup da funcao de sobre-corrente temporizada nao-direcional (51) do releP142 da Schneider Electric.

Figura 10: Estrutura do pacote GOOSE para trip e pickupda funcao (51) do rele P142.

Destaca-se na estrutura do pacote GOOSE osenderecos MAC do destinatario (01-0C-CD-01-00-00, multicast address) e da fonte das mensagens(64-31-50-65-00-4D, notebook). A prioridade damensagem e definida com grau 4, demonstrandoque esta tem certa preferencia quando circula emuma mesma rede na presenca dos frames de outrosprotocolos. A carga util (payload, do termo emingles) transporta a informacao relevante do pa-cote. Realizou-se tambem um pequeno ajuste noEsquema Logico Programavel (PSL, da sigla emingles) do rele P142, que estara localizado mais amontante do Sistema de Protecao.

Na figura 11, os blocos do PSL Virtual Input 2e Virtual Input 3 recebem nıvel logico ”1”quandoo IED mais a jusante (notebook) envia pacotescom valor true sinalizando a atuacao da protecaode anteguarda. A protecao de retaguarda e entaoacionada quando o IED a montante percebe umvalor de corrente eletrica acima do valor de pickupe recebe as mensagens com atributo true do IEDa jusante.

Figura 11: Esquema Logico Programavel para o rele P142.

A seguir e destacada na figura 12 a ban-cada de testes. Um Testador Universal Hexafa-sico de Reles da Conprove Engenharia (CE-6006)foi utilizado para cronometrar o tempo de atua-cao dos dispositivos de protecao (Conprove, 2015).Um notebook com sistema operacional UBUNTU(IED a jusante) envia pacotes GOOSE para o releP142 (IED a montante) utilizando a Logica Fuzzy.Os reles P435 e P632 produzem um trafego de pa-cotes adicional para simular um sistema maior.

Figura 12: Bancada de Testes.

Foram utilizados tambem os canais de cor-rente eletrica da Mala de Testes para simular fal-tas de sobrecorrente nos reles da Schneider Elec-tric. Um teste comparativo entre o algoritmo derepeticao tradicional e o sistema Fuzzy e mostradona figura 13.

Figura 13: Resultados para um teste comparativo entre oalgoritmo tradicional e o sistema Fuzzy.

Considerando um time dial de 300ms para to-dos os pontos de teste, constata-se uma reducao

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media de aproximadamente 0,2s no tempo de atu-acao do rele P142 para o sistema Fuzzy em com-paracao com o algoritmo tradicional.

5 Discussoes e Conclusoes

Enfim, o presente trabalho desenvolveu umametodologia simples para o controle da transmis-sao de mensagens GOOSE atraves de uma tec-nica de inteligencia computacional (Logica Fuzzy).Embora os algoritmos tradicionais de repeticaodos pacotes GOOSE sejam considerados razoaveise estejam consagrados entre os principais fabrican-tes de IEDs, este artigo apresenta uma propostarelativamente nova para reduzir o tempo de atu-acao dos reles de protecao em alguns casos queutilizam a seletividade logica. O melhor desem-penho da aplicacao da Logica Fuzzy para coor-denar o trafego das mensagens GOOSE deve serobservado em sistemas maiores, com muitos equi-pamentos de protecao e cujos pacotes ethernet cir-culantes possuem TTL reduzido.

Foi observada uma leve diminuicao no tempode atuacao do rele P142 quando da interacao entreum IED simulado que envia mensagens GOOSEconforme a logica Fuzzy. No entanto, com poucostestes realizados, ainda nao se pode concluir queo metodo de repeticao apresentado neste artigo emelhor que o convencional. Como trabalhos futu-ros pode-se utilizar um metodo mais apurado paraa sintonia das variaveis linguısticas do processo deinferencia Fuzzy ou aplicar uma tecnica de otimi-zacao para melhorar a trajetoria dos pacotes narede ethernet. E possıvel ainda, gerenciar acoesde recomposicao automatica do Sistema Eletricode Potencia em redes eletricas inteligentes.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer ao Pro-grama de Pos-Graduacao em Engenharia Ele-trica (PPGEE) da Universidade Federal do Piauı(UFPI).

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XIII Simposio Brasileiro de Automacao Inteligente

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