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UNIVERSIDADE SALVADOR – UNIFACS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E ARQUITETURA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

BRUNO VASQUEZ NOGUEIRA

PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO IEC 61850

Salvador 2007

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BRUNO VASQUEZ NOGUEIRA

PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO IEC 61850

Trabalho Final de Graduação apresentado ao

Programa de Graduação em Engenharia Elétrica

à Universidade Salvador - UNIFACS, como

requisito parcial para obtenção do grau de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Marcelo Machado Cad, MSc

Salvador

2007

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Agradecimentos

Obrigado Deus! Pela força de vontade e perseverança que me foi abençoada para a

realização deste sonho.

Aos maiores incentivadores, que se dedicaram durante toda a vida pela boa forma-

ção dos filhos com muita responsabilidade, renúncia e amor: Meus pais, Clodoaldo

Lordelo Nogueira e Maria Alice Vasquez Nogueira.

À minhas queridas irmãs: Daiana e Elisa.

À minha noiva Sophia pelo amor, compreensão e apoio durante todos esses anos.

Ao Prof. Marcelo Machado Cad, MSc, pela confiança, atenção, disponibilidade e

colaboração prestada.

Aos colegas e amigos do curso pela companhia durante este período.

Aos colegas de trabalho da Siemens que dispensaram um pouco de seu precioso

e escasso tempo para me ajudar na escolha deste tema e no levantamento de

material.

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Índice Analítico

1. Introdução _____________________________________________________ 9

1.1 - Objetivo ___________________________________________________ 10

1.2 - Justificativa _______________________________________________ 10

2. Apresentando a IEC 61850 _______________________________________ 11

2.1 - Automação de Subestação ___________________________________ 11 2.1.1 Níveis de subestação _______________________________________ 12 2.1.2 Vantagens e benefícios de automatizar uma subestação ___________ 12

2.2 - Protocolos Utilizados em Subestações _________________________ 15

2.3 - Necessidade de uma Norma Internacional ______________________ 16

2.4 - A Norma IEC 61850 _________________________________________ 16

2.5 - Aparelhos Eletrônicos Inteligentes (IED) ________________________ 19

2.6 - Certificação do KEMA _______________________________________ 19

2.7 - Características Técnicas _____________________________________ 21 2.7.1 Requisitos práticos básicos __________________________________ 21 2.7.2 Especificações de projetos ___________________________________ 22 2.7.3 Tecnologias que dão suporte a IEC 61850 ______________________ 22 2.7.4 Funções e Nós Lógicos _____________________________________ 24 2.7.5 linguagem de descrição configuração de subestação (SCL) _________ 26 2.7.6 Modelo de comunicação ACSI ________________________________ 27 2.7.7 Testes e desempenho em ieds utilizando a IEC 61850 _____________ 29

2.8 - Migrando para IEC 61850 ____________________________________ 30 2.8.1 Uso de conversores ou gateways na migração ___________________ 30 2.8.2 Limitações do uso de conversores ou gateways na migração ________ 31

2.9 - O Impacto da IEC 61850 em Automação de Subestação ___________ 32 2.9.1 Benefícios técnicos _________________________________________ 32 2.9.2 Benefícios econômicos ______________________________________ 34

2.10 - IEC 61850 sob o ponto de vista da Concessionária de Energia _____ 37

3. Conclusão ____________________________________________________ 40

ANEXOS _________________________________________________________ 42

Referências Bibliográficas __________________________________________ 45

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Lista de Figuras

Figura 1 - Protocolos usados antes da IEC 61850 (Fonte: PAULINO, 2005) ____________ 9

Figura 2 - Níveis de uma subestação (Fonte: ANDERSSON, 2001) __________________ 12

Figura 3 - A automação e a duração de interrupção no mundo (Fonte: SPERANDIO, 2006)

_______________________________________________________________________ 13

Figura 4 - Instalações no mundo baseadas na IEC 61850 (Fonte: HERRMANN, 2006) __ 17

Figura 5 - Certificado de dispositivos compatíveis com a IEC 61850 - (Fonte: BOMBANA,

2006) __________________________________________________________________ 20

Figura 6 - Camadas de rede da IEC 61850, baseada no modelo OSI (Fonte: WILKS, 2002)

_______________________________________________________________________ 23

Figura 7 - Conversão dispositivo físico Real em Nó Lógico. (Fonte: APOSTOLOV, 2007) 24

Figura 8 - Conceito de LN e LC (Fonte: IEC 61850-5) ____________________________ 25

Figura 9 - Classes e sub-classes de LN. (Fonte: PROUDFOOT, 2002) _______________ 25

Figura 10 - Definição de esquema de XML formal. (Fonte: IEC 61850-6) _____________ 26

Figura 11 - Exemplo de descarte de cargas – (Fonte: BOMBANA, 2006) _____________ 28

Figura 12 - Resultado de testes de descarte de cargas – (Fonte: BOMBANA, 2006) ____ 29

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Lista de Tabelas

Tabela 01 - Benefícios e vantagens de uma SE automatizada _____________________ 14

Tabela 02 - Tabela comparativa de protocolos __________________________________ 16

Tabela 03 - Partes que compõe a Norma IEC 61850 _____________________________ 18

Tabela 04 - Justificativa para o uso da IEC 61850 _______________________________ 34

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RESUMO

Devido ao excesso de protocolos existentes no mercado e a necessidade de

reduzir o custo operacional do sistema elétrico tornou-se imprescindível a criação de

uma norma visando a eliminação desses diversos protocolos possibilitando

expansão em longo prazo e aumentando a confiabilidade do sistema. A IEC 61850 é

uma Norma Internacional que permite que dispositivos de diferentes fabricantes

possam se comunicar sem a necessidade de um conversor de protocolos nos

diferentes níveis de subestação. Este trabalho introduz o conceito de Automação de

Subestação (SA) juntamente com seus benefícios técnicos e econômicos. Apresenta

uma breve visão globalizada dos protocolos utilizados em uma SA, aprofundando-se

no protocolo IEC 61850, a necessidade de uma norma internacional, e os requisitos

básicos para a utilização deste protocolo, os benefícios técnicos e econômicos da

implementação do protocolo IEC 61850 em uma subestação, concluindo-se que a

Norma IEC 61850 é nova porém eficaz e gradativamente substituirá os protocolos

existentes.

Palavras-Chave: Comunicação, Subestação, IEC 61850, Relés, Protocolo, Interope-

rabilidade, Goose, IEC (International Eletrotechinical Commision).

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Lista de Abreviação ACSI Abstract Communication Service Interface

CPU Central Processing Unit

DNP Distributed Network Protocol

EPRI Electric Power Research Institute

GOOSE Generic Object Oriented Substation Event

GPS Global Positioning System

GSSE Generic Substation State Event

HMI Human Machine Interface

IEC International Electrotechnical Commission

IED Intelligent Electronic Device

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

ISO International Standards Organization

LAN Local Area Network

LD Logical Device

LN Logical Node

MMS Manufacturing Message Specification

MV Measured Value

OSI Open Systems Interconnection

PC Personal Computer

RTU Remote Terminal Unit

SA Substation Automation

SAS Substation Automation System

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SCL Substation Configuration Description Language

TC Technical Committee

TCP Transmission Control Protocol

UCA Utility Communication Architecture

XCBR Circuit Breaker

XML Extensible Markup Language

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1. Introdução

Segundo Rodriguez (2006), com a globalização das companhias do setor e-

nergético tornou-se necessário apresentar retornos econômico-financeiros ao mer-

cado. Sendo assim, deseja-se que os investimentos realizados pelas concessioná-

rias de energia elétrica tenham diminuído seus prazos de entrega, os custos de ope-

ração e manutenção e aumentem o ciclo de vida dos equipamentos elétricos, além

de reduzir o valor do investimento inicial.

Devido ao excesso de protocolos existentes, conforme ilustrado na figura 1,

que geravam problemas de comunicação entre dispositivos de diferentes fabrican-

tes, nos Estados Unidos, na década de 90 o Eletric Power Research Institute (EPRI),

começou a desenvolver o projeto Utility Communications Architecture (UCA) que vi-

sava o desenvolvimento de uma estrutura de comunicação em tempo real padrão

para todas as empresas.

Figura 1 - Protocolos usados antes da IEC 61850 (Fonte: PAULINO, 2005)

Em 1995, a IEC (International Eletrotechnical Commision) reconheceu à ne-

cessidade de normatizar as interfaces para os dispositivos eletrônicos inteligentes,

ou IED (Intelligent Eletronic Devices). Três grupos de trabalho (EG10, WG11, WG12)

se juntaram formando o Comitê Técnico TC57 da IEC. Como estavam tentando atin-

gir os mesmos objetivos, EPRI e IEC decidiram juntar esforços para obter um padrão

internacionalmente aceito. Esse esforço deu origem ao protocolo de comunicação

IEC 61850, uma norma internacional que permitiria a interoperabilidade para siste-

mas de controle e proteção de subestações. (SCHUBERT et al., 2004, CARDOSO et

al., 2005 e GRUJÃO et al., 2007).

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A IEC 61850 ao normatizar o protocolo de comunicação dos IED, possibilita a

eliminação de conversores de protocolos, ou gateways, diminuindo o custo do sis-

tema e de treinamento com o corpo técnico pra operar com os diversos tipos de dis-

positivos de diferentes fabricantes. Desta forma eliminando atrasos, possíveis erros,

como também aumentando a confiabilidade do sistema. Todas essas características

tornam a IEC 61850 um tema extremamente atual e interessante.

1.1 - Objetivo

Este trabalho tem por finalidade apresentar uma visão geral do, protocolo IEC

61850 que está em fase inicial no Brasil, seus benefícios técnicos e econômico-

financeiros e ajudar a difundi-lo entre as indústrias e concessionárias.

1.2 - Justificativa

A necessidade da interoperabilidade entre os IED de proteção de diferentes

fabricantes se tornou importante para obtenção de uma operação adequada da inter-

ligação dos dados na subestação. (PAULINO, 2005)

Com a implementação do protocolo IEC 61850 elimina-se ao excesso de pro-

tocolos existentes no mercado, modelo mestre-escravo, o alto custo de fiação, ma-

nutenção e operação, possibilitando expansão em longo prazo e diminuindo o custo

operacional, aumentando a confiabilidade do sistema e provendo uma maior segu-

rança aos seus funcionários.

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2. APRESENTANDO A IEC 61850

As indústrias distribuidoras e consumidoras de energia estão em contínua evo-

lução. Soluções especiais de automação de subestação são um obstáculo econômi-

co quando companhias elétricas internacionais estão procurando uma maior produti-

vidade e performance econômica. Sendo assim é necessário projetar Sistemas de

Automação de Subestação (SAS) que possuam um melhor custo-benefício com re-

lação à operação e a manutenção que assegure um retorno mais rápido do investi-

mento do que no passado. (LUNDQVIST, 2007)

O principal objetivo da IEC 61850 é a interoperabilidade, habilidade de IED de

diversos fabricantes de trocarem informações, o que é conseguido através da pa-

dronização de nomes para funções da subestação e equipamentos e descrevendo

como acessar funções e como trocar informações. (OZANSOY, 2007 e WONG,

2004)

2.1 - Automação de Subestação

Sistema de Automatização de Subestação (SAS) é um sistema supervisório de

gerência e controle para sistemas de distribuição elétrica industrial, composto de

Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED) interconectados em redes de comunica-

ção de alta velocidade. Para uma subestação ser automatizada é necessário que

possua equipamentos de proteção, controle, monitoração, medição e comunicação

conectados em rede.

Existem vários motivos para se automatizar uma subestação, dentre eles:

• Melhoria da qualidade no fornecimento de energia elétrica.

• Redução do tempo de interrupções fornecimento de energia elétrica.

• Controle remoto de SE, através do centro de operação.

• Redução do custo operacional.

• Maior segurança.

A IEC 61850 tem como objetivo habilitar a interoperabilidade entre IED de dife-

rentes fabricantes dentro de uma subestação. A padronização de uma linguagem de

comunicação resulta em uma troca de informações livre entre os dispositivos do

SAS. (SILVA, 2002 e OZANSOY, 2007)

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2.1.1 Níveis de Subestação

Os sistemas de SA atuais possuem equipamentos em diferentes níveis de uma

subestação, como pode ser visto na figura 2. Os níveis mais usados são:

Nível de Estação – É o nível mais alto, onde estão centralizados os computa-

dores, a interface homem máquina (HMI), conversores de rede, onde o controle é

realizado.

Nível de Chão de Fábrica – É o nível intermediário, onde estão situados os e-

quipamentos de proteção e distribuição de energia.

Nível de Processo – É o nível mais baixo, onde estão situados os sensores e

atuadores que são necessários para monitorar e operar uma chave seccionadora. Para Locais Remotos

Barramento de Proteção

Barramento de ProcessoInterface Convencional

Nível de Chão de Fábrica

Nível de Estação

Nível de Processo

Figura 2 - Níveis de uma subestação (Fonte: ANDERSSON, 2001)

2.1.2 Vantagens e Benefícios de Automatizar uma Subestação

Uma informação mais precisa sobre o sistema energético em uma subesta-

ção apresenta vários benefícios, a saber: Aumenta a confiabilidade do sistema, di-

minui a manutenção e o tempo de interrupção, conforme ilustrado na figura 3, e faz

com que a concessionária se torne mais competitiva no mercado atual, onde a ten-

dência é um aumento no número de distribuidores de energia, fazendo com que os

consumidores passem a ser clientes.

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Figura 3 - A automação e a duração de interrupção no mundo (Fonte: SPERANDIO, 2006)

Econômica A razão econômica é a principal justificativa da automação de uma subesta-

ção, pois é possível reduzir custos de inspeção e manutenção, permitindo um maior

aproveitamento dos equipamentos.

Cabe ressaltar que o custo de um posto de serviço numa subestação de po-

tência, considerando os turnos a serem cumpridos, encargos decorrentes da legis-

lação brasileira e um salário médio de US$ 800,00/mês, equivale a cerca de US$

700.000,00 em um período de 30 anos, o que é muito superior ao custo médio de

automação de uma subestação. (FILHO, 2002)

As vantagens econômicas que viabilizam uma subestação automatizada são:

• Redução dos custos de operação e manutenção.

1. No diagnóstico e conserto de equipamentos.

2. Em custos primários de manutenção de equipamentos.

3. Em custos de operação e controle de equipamentos de prote-

ção.

• Redução dos custos de instalação de subestações.

1. Com a redução de cabeamento para controle e proteção em ar-

quiteturas distribuídas.

2. Com a redução de instalação de equipamentos dedicados para

cada função, pela possibilidade da instalação de equipamentos

que executem diferentes funções.

3. Com a redução de cabeamento para serviços auxiliares.

(SILVA, 2002 e OZANSOY, 2007)

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Técnica Os dados extraídos do sistema de automação têm um papel essencial para

sua administração, sendo assim é imperativo que as subestações existentes sejam

atualizadas, automatizadas, para poderem fornecer uma maior quantidade de infor-

mações no menor tempo possível, aumentando a confiabilidade do sistema devido à

diminuição de tempo nas tomadas de decisões.

Uma relação de benefícios e vantagens é apresentada na tabela 01. (SILVA,

2002 e OZANSOY, 2007)

Tabela 01 - ... Benefícios e vantagens de uma SE automatizada

APLICAÇÃO BENEFÍCIOS E VANTAGENS Estado Operacional • Determinação da habilidade operacional do equipamento

• Determinação do status operacional do equipamento

Prevenção de falhas • Avaliação da condição do equipamento, detecção de condições a-

normais e a ação iniciada para prevenir as falhas iminentes.

Suporte para manuten-ção

• Avaliação da condição do equipamento e iniciar manutenção só

quando o diagnóstico indique a necessidade disso.

Ajudar com o planejamento da manutenção.

Avaliação de vida • Avaliação da condição dos equipamentos para determinar sua vida

útil.

• Detecção de condições anormais.

Otimização da operação • Avaliação da condição funcional do equipamento enquanto é sub-

metido à extenso ou maximização de suas funções (geralmente, a

condições diferentes da placa).

• Otimização da operação dos equipamentos no sistema, por exem-

plo, do disjuntor “circuit breaker”.

Análise de falhas • Confirmação das condições corretas de instalação e ajuste dos e-

quipamentos.

• Avaliação das condições dos equipamentos e melhoria da efetivida-

de e eficiência com prova de aceitação e verificação.

.Automatização e preservação de dados das características e con-

dições da subestação.

Segurança pessoal • Prevenção das condições de segurança do pessoal.

Segurança ambiental • Prevenção das condições de segurança ambiental.

Fonte: SILVA, 2002

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2.2 - Protocolos Utilizados em Subestações

Atualmente os sistemas de automação de subestações consistem em equipa-

mentos de diferentes fabricantes e diferentes gerações. A integração desses equi-

pamentos tem sido uma das principais dificuldades para a automação de subestação

de energia. Para possibilitar a comunicação entre dois equipamentos, normalmente

utiliza-se um conjunto de regras que define o tipo das mensagens e a ordem que

devem ser trocadas. Esse conjunto de regras é conhecido como um protocolo. O ob-

jetivo principal de um protocolo é fazer com que sistemas consigam trocar informa-

ções de modo correto. Cada fabricante define um protocolo especifico para os seus

equipamentos e isto pode impedir a integração com aqueles de outros fabricantes.

(OZANSOY, 2007)

Existem milhares de combinações de protocolos que podem ser criados com ba-

se nos já existentes. Na tabela 02 têm-se um comparativo destes protocolos.

Os principais protocolos utilizados nas subestações atuais são:

• PROFIBUS: Automação de processo para indústria e SE’s (líder de mercado

na Europa).

• MODBUS: Um protocolo popular tipo mestre-escravo com uso industrial que

se tornou popular em subestações. Garante comandos simples de LEITURA /

ESCRITA para endereços dentro de um Inteligent Equipment Divices (IED).

• Distributed Network Protocol (DNP): Um protocolo mestre escravo popular,

usado principalmente na América do Norte. DNP pode rodar sobre diversas

portas de comunicação como RS-232 e RS-485, como também emitir tipos

múltiplos de mensagens de LEITURA/GRAVAÇÃO a um IED.

• IEC-870-5-101: É considerado como o sócio Europeu do DNP. Diferencia-se

do DNP através de sua estrutura de envio de mensagens ligeiramente dife-

rente e da habilidade alcançar informações dos objetos do IED. (OZANSOY,

2007)

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Tabela 02 - Tabela comparativa de protocolos

Fonte: BOMBANA, 2006

2.3 - Necessidade de uma Norma Internacional

Tradicionalmente, diferentes fabricantes de equipamentos para subestação de-

senvolveram suas próprias soluções de comunicação, o que tornou difícil integrar

dispositivos de diferentes fabricantes em uma subestação.

Gateways e diferentes tipos de conversores de protocolos têm sido usados pa-

ra permitir que dispositivos de diferentes fabricantes comuniquem-se. Esta solução

para interoperabilidade, no entanto não é uma boa solução uma vez que equipamen-

tos extras podem introduzir erros e atraso no sistema. A melhor forma para resolver

o problema de interoperabilidade nas subestações era criar uma Norma internacio-

nal que cobrisse todos os aspectos da comunicação nas subestações o que não era

possível com os protocolos de comunicações atuais. (HERRMANN, 2006)

2.4 - A Norma IEC 61850

A IEC (International Eletrotechnical Commission) é uma organização mundial

para normatização de dispositivos elétricos. O objetivo da IEC é promover uma coo-

peração internacional sobre questões que dizem respeito à eletrotecnica e à eletrô-

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nica. A figura 4 mostra as instalações no mundo que utilizam a IEC 61850. (IEC

61850-1, HERRMANN, 2006)

Figura 4 - Instalações no mundo baseadas na IEC 61850 (Fonte: HERRMANN, 2006)

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A Norma IEC 61850 é composta de 10 partes, sob o título de Comunicação de

Redes e Sistemas em Subestações, apresentadas na tabela 03.

Tabela 03 - Partes que compõe a Norma IEC 61850

Norma Descrição IEC 61850-1 Introdução e Re-sumo

Introdução e um resumo geral da Norma, incluindo outras partes na Norma.

IEC 61850-2 Glossário Composta pelo glossário de terminologia específica e definições usadas no contexto de Sistemas de Automação de Subestação (SAS) das várias partes da Norma.

IEC 61850-3 Requisitos Gerais Requisitos gerais da rede de comunicação, com ênfase nos re-quisitos de qualidade. Contempla também, instruções de condi-ções ambientais e serviços auxiliares.

IEC 61850-4 Gerencia de Sis-tema e Projeto

Contempla a gerência de sistema e projeto no que diz respeito à: - Engenharia de processo e suas ferramentas de suporte; - Ciclo de vida total do sistema e dos seus IED; - A garantia de segurança começando com o estágio de desen-volvimento e terminando com a descontinuação e descomissio-namento da SAS e dos seus IED.

IEC 61850-5 Requisitos de Co-municação para Funções e Modelos de Dispositivos.

As especificações desta parte se referem aos requisitos das funções aplicadas na SAS e aos modelos dos dispositivos.

IEC 61850-6 Configuração de Descrição de Linguagem para Comunicação em Subestações Elétricas Relacionadas aos IED

Especifica a linguagem de descrição para a configuração de IED de uma subestação elétrica.

IEC 61850-7 Estrutura de co-municação Básica para Subes-tação e Dispositivos de Ali-mentação

Detalha a arquitetura de comunicação de subestação por cama-da e define os tipos de atributos e classe de dados comuns re-lacionados á aplicações em subestações. Esta parte se divide em 4 sub-partes: Princípios e Modelos Interface de Serviço de Comunicação Abstrata Classes de Dados Comuns Classes de Nós Lógicos Compatíveis e Classe de Dados

IEC 61850-8 Mapeamento de Serviços de Comunicação Es-pecífico (SCSM)

Propõe-se a prover uma operação entre dispositivos de uma variedade de subestações para alcançar interoperabilidade, provendo informações detalhadas de como criar e trocar men-sagens de comunicação.

IEC 61850-9 Redes de Comuni-cações e Sistemas

Especifica o mapeamento dos serviços de comunicação especí-ficos entre um vão e nível de processos (valores analógicos).

IEC 61850-10 Teste de Confor-midade

Define os métodos e casos de testes abstratos para teste de conformidade de dispositivos usados em sistemas de automa-ção de subestação.

Fonte: IEC 61850

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2.5 - Aparelhos Eletrônicos Inteligentes (IED)

Por definição: É um dispositivo incorporado de um ou mais processadores com

a capacidade de receber e enviar dados de/para uma fonte externa. Qualquer dispo-

sitivo capaz de executar o comportamento de um ou mais Nós Lógicos (LN) especí-

ficos em um contexto. (IEC 61850-1)

A maioria das Subestações Elétricas atuais é composta de relés digitais ou In-

telligent Eletronic Devices (IED) que armazenam uma grande quantidade de dados

sobre seu status interno e sobre o sistema ao qual monitora, controla ou protege.

Os relés digitais vêm, gradualmente, substituindo os relés eletromecânicos de-

vido ao seu baixo custo, confiabilidade, funcionalidade e flexibilidade. No entanto a

característica mais importante que os diferencia é a capacidade de coletar e de pro-

mover uma ação com base nesses dados. (OZANSOY, 2007)

2.6 - Certificação do KEMA A certificação de dispositivos compatíveis com a IEC 61850 é um importante

avanço para um ambiente no qual equipamentos de diferentes fabricantes trabalham

em conjunto.

Os testes de conformidade especificados na IEC 61850 ficaram sobre a res-

ponsabilidade do KEMA, um instituto de testes independente aprovado pela UCA In-

ternational Users Group. O processo de certificação envolve checar os documentos

dos fabricantes confirmando que a implementação das funcionalidades nos disposi-

tivos correspondem às estabelecidas na Norma.

Portanto é o KEMA que estabelece se o dispositivo do fabricante está ou não

de acordo com a Norma e emite um certificado, conforma ilustrado na figura 5.

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Figura 5 - Certificado de dispositivos compatíveis com a IEC 61850 - (Fonte: BOMBANA, 2006)

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2.7 - Características Técnicas

Neste item serão vistos alguns requisitos necessários para a implementação da

IEC 61850 bem como tecnologias implícitas em sua composição.

2.7.1 Requisitos Práticos Básicos

Os requisitos básicos para cada tipo de usuário não dependem da tecnologia.

São os requisitos básicos que impulsionam as pesquisas de como resolver, imple-

mentar e otimizar as funções para controle, proteção e monitoração. Os requisitos

descritos a seguir têm como finalidade assegurar uma melhor manutenção, alta se-

gurança e um menor custo de implementação. (KLAUS, 2006)

Interoperabilidade: Interoperabilidade é um dos principais pontos da IEC 61850. Este é um as-

sunto muito importante para ser verificado ao investir em uma tecnologia indepen-

dente das mudanças tecnológicas. (KLAUS, 2006)

Disponibilidade: Dependendo da funcionalidade, diferentes níveis de disponibilidade podem

ser aplicados. Para funções críticas, uma alta disponibilidade deve ser aplicada, para

isso é necessário o uso de produtos de alta confiabilidade e o uso de redundância

quando necessário. (KLAUS, 2006)

Falha em Ponto Único Funções críticas não devem confiar em um único componente, especialmente

quando os componentes envolvidos possuem um baixo tempo entre falhas (MTBF).

Neste caso deve-se utilizar um componente redundante. (KLAUS, 2006)

Manutenção Durante o trabalho de manutenção é essencial que o resto do sistema não se-

ja afetado. (KLAUS, 2006)

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Remanufatura Apesar dos equipamentos convencionais poderem ser remanufaturados, não

se deve perder a funcionalidade do sistema. O uso de equipamentos convencionais

juntamente com equipamentos modernos deve ser possível e o acesso remoto de

um centro de controle não deve ser afetado. (KLAUS, 2006)

2.7.2 Especificações de projetos

Algumas mudanças nas tecnologias usadas em Automação de Subestação

têm sido muito importante, uma delas é que a especificação deve ser baseada na

funcionalidade ao invés de basear-se em equipamentos específicos. É de fundamen-

tal importância definir como implementar á Norma na prática, cabendo esta tarefa

aos fabricantes, sendo o único requisito é que a comunicação utilizada deva ser

compatível com a norma IEC 61850. (LIM, 2006 e MESMAEKER, 2005)

2.7.3 Tecnologias que dão suporte a IEC 61850

A IEC 61850 diferencia-se dos outros protocolos principalmente por utilizar a

Ethernet como meio de comunicação e por separar Modelos de Dados, Serviços e

Protocolos de Comunicação, possibilitando mudanças de tecnologia sem que seja

necessário alterar a Norma.

Comunicação Ethernet A IEC 61850 especificou a Ethernet como meio físico de comunicação pois a

mesma possui uma taxa de transferência alta (100Mbit/s), muito maior que um sis-

tema mestre-escravo, uma alta imunidade eletromagnética, prover redundância, pri-

orizar mensagens, evitar a colisão de pacotes, além de ser a rede utilizada em 95%

dos escritórios. (HERRMANN, 2006)

A IEC 61850 baseia-se no modelo de camadas de rede OSI e acrescenta

mais duas camadas: Aplicação Independente – Comunicação Abstrata e Mapea-

mento de Serviços – Comunicação Específica, conforme pode ser visto na figura 6.

(WILKS, 2002)

A Organização Internacional de Normas (ISO) dividiu o processo de comuni-

cação em sete camadas básicas conhecidas como Interconexão Aberta de Sistemas

(OSI). Cada nível opera independentemente do outro. (OZANSOY, 2007)

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Aplicação IndependenteComunicação Abstrata

Camada de Aplicação

Camada de Apresentação

Camada de Sessão

Camada de Transporte

Camada de Rede

Camada de Enlace de Dados

Camada Física

Comunicação EspecíficaServiços de Mapeamento

Figura 6 - Camadas de rede da IEC 61850, baseada no modelo OSI (Fonte: WILKS, 2002)

Quando são feitas conexões de comunicação entre IEDs interligados, é criada

uma rede local (LAN) física e confiável que suporta diversos protocolos.

Existem alguns pontos a serem observados quando se projeta uma topologia

Ethernet:

• Reação da rede de automação e proteção durante uma falha na Ethernet.

• Como se comportará a performance e a comunicação do IED durante um ataque

hacker ou uma proibição de serviço.

• Sobrecarga acidental na rede causada por conexões externas ou IED conecta-

dos recentemente.

• Quais IED irão continuar funcionando mesmo se estiverem em uma rede em fa-

lha ou sobre ataque. (OZANSOY, 2007)

Separação de Modelos de Dados, Serviços e Protocolos de Comunicação Reconhecendo a necessidade de que a Norma IEC 61850 não fosse afetada

pelas mudanças rápidas de tecnologia, o grupo de estudo do IEC dividiu a comuni-

cação em um sistema de automação de subestação em três partes:

• Modelos de dados das aplicações

• Serviços de transferência de arquivos

• Protocolos de comunicação reais.

Page 24: IEC 61850 Monografia

24

Modelos de dados e serviços de transferência dificilmente mudam e foram nor-

matizados, já o protocolo de comunicação pode mudar e foi especificado nos seguin-

tes protocolos:

• Mensagem de Especificação do Fabricante (MMS)

• TCP/IP

• Ethernet

Estes protocolos podem mudar no futuro e não afetarão a Norma, pois a parte

principal da norma contempla as duas primeiras divisões, modelos de dados das a-

plicações e serviços de transferência de arquivos, onde estão definidas as caracte-

rísticas e definições dos equipamentos, deixando a parte protocolo de comunicações

reais aberta a possíveis mudanças tecnológicas.

2.7.4 Funções e Nós Lógicos A IEC 61850 identifica todas as funções conhecidas no SAS e as divide em

sub-funções chamadas Nós Lógicos (LN). Estes LN correspondem a grandezas físi-

cas existentes no mundo real, como ilustrado na figura 7. Existem dados que se re-

ferem ao próprio dispositivo físico, portanto, os LN são alocados tanto para funções

como para dispositivos físicos (LN0), conforme ilustrado na figura 8.

IEC 61850-7-4Nó Lógico (Disjuntor)

Visualização

Dispositivo Lógico

Dispositivo Realem uma

Subestação

SCSMIEC 61850-8-1

IEC 61850-7-4Dados (Posição)

IEC 61850-7-6Arquivo de Configuração, XML

Rede TCP/IP

Mapea

mento

Figura 7 - Conversão dispositivo físico Real em Nó Lógico. (Fonte: APOSTOLOV, 2007)

Page 25: IEC 61850 Monografia

25

Figura 8 - Conceito de LN e LC (Fonte: IEC 61850-5)

Os LN são conectados através de conexões lógicas (LC) para uma troca de

dados dedicada. Cada LN receptor deve saber quais dados são necessários para

realizar uma devida função, checar se os dados estão completos e se são válidos.

Em SAS, por ser um sistema de tempo real, o critério mais importante para valida-

ção dos dados é a ‘idade do dado’, cabendo ao LN a função de decidir se os dados

recebidos são atuais e devem ser utilizados ou se são antigos e devem ser descar-

tados. (IEC 61850-5 e OZANSOY, 2007)

Existem 86 classes de LN, cada um deles é composto de dados que repre-

sentam algumas aplicações com significados específicos e tem como finalidade pro-

ver subcategorias de dados separadas, conforme ilustrado na figura 9.

Figura 9 - Classes e sub-classes de LN. (Fonte: PROUDFOOT, 2002)

Page 26: IEC 61850 Monografia

26

2.7.5 Linguagem de descrição Configuração de Subestação (SCL)

A Linguagem de descrição Configuração de Subestação (SCL) é uma das

maiores inovações da IEC 615850 em comparação com os outros protocolos, facili-

tando a engenharia do sistema, especialmente em estágios de mudanças, expansão

ou modificação.

Baseada em linguagem XML (EXtensible Markup Language), conforme ilus-

trado na figura 10, a SCL é usada para descrever configurações e sistemas de co-

municação dos IED, permitindo a troca de dados de configuração entre a ferramenta

de configuração do sistema de diferentes fabricantes e garantindo a interoperabili-

dade dos mesmos.

Figura 10 - Definição de esquema de XML formal. (Fonte: IEC 61850-6)

Um IED somente é considerável compatível com a IEC 61850 se for acompa-

nhado de uma ferramenta capaz de gerar um arquivo SCL e que possa utilizá-lo pa-

ra configurar seus parâmetros em um IED. (IEC 61850-6)

Existem 4 tipos de arquivos SCL para que se possa diferenciar o tipo dos da-

dos entre as ferramentas, isto é feito através de extensões de arquivos distintas, as

quais são apresentadas a seguir:

• .ICD – Capacidade de Descrição do IED:

Troca de dados do IED com o Sistema. Contém os modelos de ti-

pos de dados necessários e tipos de definições de nós lógicos.

• .SSD – Descrição da Especificação do Sistema:

Troca de dados da ferramenta de especificação do Sistema com a

ferramenta de configuração do Sistema. Contém uma seção de

descrição de uma subestação, modelos de tipos de dados neces-

sários e tipos de definições de nós lógicos.

Page 27: IEC 61850 Monografia

27

• .SCD – Descrição da Configuração da Subestação:

Troca de dados da ferramenta de configuração do Sistema com a

ferramenta de configuração do IED. Contém todos os IED, uma se-

ção de configuração de comunicação e uma seção de descrição de

uma subestação.

• .CID – Configuração de Descrição do IED:

Troca de dados da ferramenta de configuração do IED com o IED.

Contém o endereço atual do IED e as informações que o mesmo

necessita. (IEC 61850-6)

2.7.6 Modelo de Comunicação ACSI No protocolo IEC 61850 são especificados modelos de comunicação denomina-

dos ACSI (Abstract Communication Service Interface ou Interface de Serviços Abs-

tratos de Comunicação). Estes modelos podem ser agrupados em dois grupos:

• Modelos do tipo Cliente-Servidor: este modelo agrupa um conjunto de servi-

ços orientados principalmente à realização das seguintes ações: acesso às

informações, notificação automática de informações, sincronismo, comando,

transferência de arquivos e seqüência de eventos.

• Modelos de comunicação de eventos: orientado a implementação das aplica-

ções de proteção utilizando uma comunicação ponto a ponto entre IEDs, (IEC

61850-6)

Mensagens GOOSE

O glossário da norma IEC 61850 define a mensagem GOOSE como: Na ocor-

rência de uma mudança de estado, um IED transmitirá em alta velocidade um Even-

to de Subestação Genérico Orientado a Objeto (GOOSE), contendo o estado de

comando de cada status de entrada. A mensagem é reenviada sequencialmente em

intervalos definidos durante a configuração. (IEC 61850-2)

Uma mensagem GOOSE enviada por um IED pode ser recebida e utilizada por

diversos dispositivos conectados, por exemplo:

• Fornecer posições de chaves para intertravamentos

• Trip de disjuntores

• Partida para oscilografias

Page 28: IEC 61850 Monografia

28

Na figura 11 pode ser visto um exemplo de rede com descarte de cargas, on-

de no método antigo, mestre-escravo, o relé do gerador envia uma mensagem in-

formando a abertura do disjuntor do mesmo para a Unidade Centrar de Controle

(UCC), e este repassa o comando para os outros relés das cargas, informando-os

para abrir os respectivos disjuntores. Com o uso da mensagem GOOSE, o relé do

gerador envia uma mensagem informando a abertura do disjuntor do mesmo para a

Unidade Centrar de Controle (UCC) e para os outros relés das cargas, simultanea-

mente, informando-os para abrir os respectivos disjuntores. (BOMBANA, 2006)

Figura 11 - Exemplo de descarte de cargas – (Fonte: BOMBANA, 2006)

O tempo para o descarte de cargas com e sem o uso da mensagem GOOSE

pode ser visto na figura 13, comprovando-se a redução significante no tempo de

descarte de cargas.

Page 29: IEC 61850 Monografia

29

Figura 12 - Resultado de testes de descarte de cargas – (Fonte: BOMBANA, 2006)

Mensagens GSSE

O glossário da norma IEC 61850 define a mensagem de Evento Genérico de

Estado da Subestação (GSSE) como similar ao GOOSE, mas restringe os dados

contidos a valores de dados de status de comando, como por exemplo, aberto, fe-

chado e em transição. (IEC 61850-2)

2.7.7 Testes e Desempenho em IEDs utilizando a IEC 61850 A parte da IEC 61850 que regulamenta os testes o desempenho de um IED é a

parte 10. A função desta parte da norma é garantir que o IED suporta as caracterís-

ticas descritas em seu arquivo SCL. No entanto, para o funcionamento correto do

IED, é necessário garantir algumas características que não estão inclusas na Part

10da Norma. Algumas delas são:

• Sincronização de tempo e precisão do selo de tempo (aquisição do tempo)

• Controle de tempo de reação

• Critérios operacionais e de confiabilidade

Essas são características a parte à Norma e podem ser solicitadas. Estas

medidas de desempenho são essenciais à funcionalidade e confiabilidade dos IED.

(IEC 61850-10, DOLEZILEK, 2004, 2005).

Sincronização de tempo e precisão do selo de tempo Precisão do selo de tempo documenta a capacidade do IED de comunicar in-

formações de tempo de um evento. Um selo de tempo preciso precisa de diversas

funções distintas como: relógio interno do IED e tempo de detecção de mudança de

Page 30: IEC 61850 Monografia

30

estado. No entanto, para o usuário final o importante é quão preciso é o selo de

tempo do dado gravado de um evento com relação ao tempo atual do mesmo even-

to. (IEC 61850-10, DOLEZILEK, 2004, 2005).

Controle de tempo de reação A função desta medida de controle de tempo de reação é verificar a velocida-

de que cada IED é capaz de reagir à uma mensagem GSE ou a uma mensagem de

controle de comando da IEC 61850. Deve-se identificar o tempo decorrido entre o

recebimento da mensagem e a mudança de estado do IED. (IEC 61850-10,

DOLEZILEK, 2004, 2005).

Critérios operacionais e de confiabilidade Esta medida de desempenho documenta a confiabilidade e as características

de operação do dispositivo. O sistema necessita de confiabilidade e informações o-

peracionais como monitoramento, proteção, controle e dispositivos de comunicação.

Usando estas medidas de desempenho, projetistas podem escolher dispositivos a-

propriados para satisfazer os requisitos do sistema. (IEC 61850-10, DOLEZILEK,

2004, 2005)

2.8 - Migrando para IEC 61850 Dispositivos compatíveis com a IEC 61850 estão disponíveis desde 2004. Es-

tes dispositivos estão sendo introduzidos no mercado aos poucos. Algumas subes-

tações novas ainda podem ser equipadas com equipamentos não compatíveis com

a IEC 61850, assim como, subestações antigas podem ser integradas com equipa-

mentos compatíveis com a IEC 61850 através de uma troca gradual dos equipamen-

tos ultrapassados. (WONG, 2004)

2.8.1 Uso de Conversores ou Gateways na Migração Os sistemas de automação atuais suportam diversos protocolos. O protocolo

da IEC 61850 surgiu adicionalmente como mais um protocolo e com o passar do

tempo este protocolo se expandiu, e está gradualmente sobrepondo-se os demais

protocolos.

Para que ocorra um paralelismo entre sistemas que utilizam a IEC 61850 e os

que utilizam outros protocolos, é necessário o uso de conversores (“gateways”). Ga-

teways são conversores de protocolos e normalmente ficam centralizados em um

Page 31: IEC 61850 Monografia

31

único ponto onde ocorrem as conversões para manter os sistemas de automação

com um baixo custo. (WONG, 2004)

Quando se faz necessário à obtenção de dados de equipamentos do nível de

processo ou quando existem mais de um protocolo de comunicação em operação, a

utilização destes conversores é obrigatória. Os gateways fornecem os seguintes

serviços:

• Provê conversão entre protocolos: IEC 61850, IEC 60870-5, DNP3 e protoco-

los proprietários.

• Provê ferramentas de configuração e diagnóstico.

• Provê interfaces de comunicação múltiplas e capacidade de guardar informa-

ções provendo uma capacidade de centralização.

• Provê uma interface entre sistemas novos e antigos simultaneamente.

• Provê interoperabilidade entre dispositivos que utilizam ou não a IEC 81850.

(GOPALAKRISHNAN, 2007)

2.8.2 Limitações do Uso de Conversores ou Gateways na Migração Os conversores de protocolos, gateways, possuem algumas limitações na sua

utilização em subestações. Considerando estas limitações, é extremamente impor-

tante antes de iniciar um projeto que sejam conhecidas quais são as implicações

que a introdução de um gateway em uma subestação que utiliza a IEC 61850.

A seguir algumas das limitações dos gateways:

• A IEC 61850 foi desenvolvida para assegurar uma alta integridade dos dados

garantindo um único protocolo em toda subestação. A utilização de converso-

res resultará em uma integridade menor que a utilizada pela IEC 61850.

• Investimentos em re-configuração e mapeamento de protocolo do gateway

caso alguma mudança seja necessária.

• Não se pode usar gateway no nível de processo, a não ser que o gateway es-

teja de acordo com a IEC 61850.

• A IEC 61850 utiliza um sistema totalmente orientado a objeto, o uso de gate-

ways introduz no sistema um atraso na comunicação da rede, tornando im-

possível utilizar todas as funcionalidades da IEC 61850.

(GOPALAKRISHNAN, 2007)

Page 32: IEC 61850 Monografia

32

2.9 - O Impacto da IEC 61850 em Automação de Subestação

A importância da Automação de Subestação está em suas funções e não será

mudada pela IEC 61850. A primeira vista a arquitetura do sistema também não será

mudada, porém o principal objetivo da IEC 61850 é a interoperabilidade, ou seja, a

capacidade de um IED de diferentes fabricantes de trocar informações e usá-las pa-

ra realizar funções de proteção dentro do Sistema de Automação. (BRAND, 2004,

WONG, 2004)

Um dos desafios da implementação da IEC 61850 é como justificar os inves-

timentos em automação de subestação novas ou já implantadas. Os impactos positi-

vos que a automação tem sobre os custos operacionais, aumento da qualidade de

energia, e redução do tempo de resposta, são os principais argumentos. Protocolos

de comunicação antigos eram desenvolvidos com dois objetivos, prover as funções

necessárias requeridas pelos sistemas elétricos e ao mesmo tempo minimizar os by-

tes usados pelo protocolo devido às limitações de largura de banda típica da tecno-

logia de conexão serial disponível de 10 a 15 anos atrás, quando a maioria desses

protocolos foram desenvolvidos. Posteriormente com a disseminação da Ethernet

estes protocolos foram adaptados para usarem o TCP/IP, porém os protocolos usa-

dos ainda utilizavam a filosofia de minimizar os bytes para transferência, sendo as-

sim, não tiram vantagem do aumento da largura de banda conseguido com a tecno-

logia Ethernet que provê uma maior funcionalidade a qual pode reduzir significamen-

te os custos operacionais e de implementação.

A IEC 61850 é única, pois foi projetada para operar com tecnologias moder-

nas e fornecer funcionalidades que não estavam disponíveis nos protocolos de co-

municações antigos. (MACKIEWIEZ, 2006)

2.9.1 Benefícios Técnicos a) Uso de um Modelo Virtual

O modelo virtual de Dispositivos Lógicos (LD) e Nós Lógicos (LN) permitem a

definição de dados, serviços e comportamento dos dispositivos a serem definidos

juntamente com os protocolos usados para definir como os dados são transmitidos

na rede. (MACKIEWIEZ, 2006)

Page 33: IEC 61850 Monografia

33

b) Uso de Nomes para Todos os Dados

Todos os dados dos elementos da IEC 61850 são nomeados usando abrevia-

ções descritivas dos dados, o que os tornam de fácil identificação, já os outros pro-

tocolos identificam os dados pelo local de armazenamento utilizando um índice de

números. Estas abreviações são padronizadas e definidas pela Norma, ou seja, in-

dependem do fabricante. (MACKIEWIEZ, 2006)

c) Dispositivos que se Auto Identificam

As aplicações que se comunicam com dispositivos através do IEC 61850 são

capazes de baixar do dispositivo as descrições de todos os dados suportados que

sem que seja preciso configurar os objetos de dados ou nomes manualmente.

(MACKIEWIEZ, 2006)

d) Serviços de Alto Nível O IEC 61850 suporta uma grande variedade de serviços que ultrapassam os

oferecidos pelos outros protocolos como GOOSE, GSSE, prioridade e um histórico

de tudo que acontece. (MACKIEWIEZ, 2006)

e) Linguagem de Configuração Padronizada

A SCL habilita a configuração de um dispositivo e seu papel preciso no siste-

ma usando arquivos XML. A SCL pode também ser usada para estabelecer preci-

samente e sem ambigüidade os requisitos do usuário para dispositivos e subesta-

ções.

f) Interoperabilidade

Um dos maiores benefícios da IEC 61850 é a interoperabilidade, que permite

que diversos equipamentos de diferentes fabricantes e de diferentes gerações tec-

nológicas possam trocar informações e usá-las para proteção e supervisão do sis-

tema. (MESMAEKER, 2005)

g) Maior Flexibilidade

A IEC 61850 permite a alocação livre de funções, deixando a arquitetura do

sistema livre para que o usuário aperfeiçoe-a como desejar e proporcionando uma

maior flexibilidade de implementação. (MACKIEWIEZ, 2006)

Page 34: IEC 61850 Monografia

34

h) Melhor Expansibilidade A interoperabilidade e a flexibilidade da IEC 61850 garantem que a expansão

seja feita da melhor forma possível, pois não é necessário o uso de equipamentos

do mesmo fabricante dos dispositivos instalados. (MACKIEWIEZ, 2006)

i) Maior Largura de Banda e Velocidade de Transmissão

A IEC 61850 permite uma maior velocidade de transmissão por utilizar uma

topologia cliente/servidor ao invés da mestre/escravo. Por ser uma tecnologia de-

senvolvida para utilizar a Ethernet, uma maior quantidade de dados pode transitar na

rede devido à alta taxa de transferência 100Mb/s, além de uma melhor supervisão

remota, através do browser internet explorer. Outro ponto importante é o fato dela

evitar a colisão entre pacotes, além de ser possível utilizar uma rede única para

transitar os dados da rede de escritório e da rede industrial. (HERRMANN, 2006)

2.9.2 Benefícios Econômicos

Os benefícios econômicos providos pela IEC 61850 não estão na aquisição

dos equipamentos ou até mesmo do Sistema. Os maiores benefícios da IEC 61850

são percebidos durante sua utilização em longo prazo, como pode ser visto na tabe-

la 04. (MACKIEWICZ, 2006)

Tabela 04 - Justificativa para o uso da IEC 61850

Descrição Protocolos Antigos IEC 61850 Impacto Compra do equipamento $ $$ -

Instalação $$ $ +Configuração $$ $ +

Aplicação / Migração $$$ $ +Flexibilidade / Manutenção $$$ $ +

Fonte: MACKIEWICZ, 2006

A redução de custos com dispositivos de controle e proteção é uma prioridade

para as empresas de energia elétrica em todos os países do mundo. Para tal, o novo

padrão dos sistemas de comunicação é aberto, de forma que equipamentos de dife-

rentes fabricantes funcionem juntos. (SPERANDIO, 2007)

Page 35: IEC 61850 Monografia

35

a) Redução no Custo de Instalação

A IEC 61850 permite que o dispositivo troque dados e status usando mensa-

gens GOOSE e GSSE através da rede sem ter que usar cabos separados para cada

relé. Isto reduz significativamente os custos de cablagem (cabos, canaletas, dutos...)

através de uma melhor utilização da largura de banda. (MACKIEWIEZ, 2006)

b) Redução no Custo de Transdutores

Ao invés de utilizar transdutores em separados para cada dispositivo, uma u-

nidade de agrupamento única pode entregar este sinal a vários dispositivos usando

um único transdutor, diminuindo assim os custos com transdutores, cabeamento, ca-

libração e manutenção. (MACKIEWIEZ, 2006)

c) Redução no Custo de Comissionamento

Os custos de configuração e de comissionamento dos dispositivos são redu-

zidos drasticamente pelo fato dos dispositivos que utilizam a IEC 61850 não precisa-

rem de tanta configuração manual quanto os dispositivos que utilizam outros proto-

colos, o que reduz erros. Este benefício somente foi possível devido à implementa-

ção da SCL. (MACKIEWIEZ, 2006)

d) Redução no Custo de Migração

Devido ao fato da IEC 61850 definir a nomenclatura dos dados, permitindo a

interoperabilidade, os custos de migração são reduzidos, pois dispositivos de dife-

rentes fabricantes podem ser utilizados em conjunto, minimizando o trabalho de re-

configuração dos mesmos em casos de troca. (MACKIEWIEZ, 2006)

e) Software Independente da Plataforma

O fato da IEC 61850 permitir que o software seja independente da plataforma,

possibilita que o usuário possa escolher comprar o sistema completo, somente o

software ou somente o hardware, ou seja, em caso de dano de um componente, po-

de-se adquirir somente o necessário, diminuindo o custo de manutenção.

(HERRMANN, 2006)

Page 36: IEC 61850 Monografia

36

f) Maior Largura de Banda e Velocidade de Transmissão

Conforme mostrado nos benefícios técnicos, a IEC 61850 permite uma maior

largura de banda e velocidade de transmissão. Devido a esta característica é possí-

vel utilizar uma rede industrial única para controle e proteção, possibilitando que a

oscilografia trafegue por essa rede, o que no passado somente seria possível im-

plementando uma rede paralela devido à limitação da largura de banda e ao tama-

nho do arquivo gerado pela oscilografia. (HERRMANN, 2006)

g) Redução no Custo do Ciclo de Vida da Subestação Segundo Andersson (2001), a IEC 61850 possui um impacto positivo no custo

do ciclo de vida de uma subestação. A seguir será visto um exemplo com as seguin-

tes pré-suposições:

Numa nova instalação de uma subestação a porcentagem dos custos relativa

aos equipamentos é de 40%, enquanto os custos de engenharia e testes são de

60%. Portanto a implementação da subestação partindo-se do zero, denominada E-

tapa 1, corresponde a 100%, englobando equipamentos, engenharia e testes. Poste-

riormente, pressupõe-se que durante a vida útil de uma subestação (40-60 anos), os

equipamentos devem ser trocados 3 vezes, o que corresponde às Etapas 2, 3 e 4.

Na figura 14 temos uma comparação de reduções de custo conseguidas com e sem

o uso da Norma com base nas suposições assumidas acima.

i) Reduções conseguidas sem o uso da Norma – Uma maior redução

de custo de equipamentos não é possível. Sendo assim pressupõe-se

uma redução de 25% dos custos dos equipamentos entre a Etapa 2 e 3.

Pressupõe-se que os custos de engenharia e de testes por troca são os

mesmos da primeira instalação.

ii) Reduções conseguidas com o uso da Norma aplicada em equipa-mentos obsoletos – Devido à interoperabilidade, o mercado pode ser

usado para reduzir em 50% os custos de equipamentos entre os passos

2 e 3. Os custos de engenharia e de testes por troca são os mesmos da

primeira instalação.

iii) Reduções conseguidas com o uso de todas as funcionalidades da Norma IEC 61850 – Devido ao uso da SCL, pressupõe-se uma redução

de 75% nos custos de engenharia e de testes comparados com a pri-

Page 37: IEC 61850 Monografia

37

meira instalação, além da redução de 50% dos custos de equipamentos.

A Redução no Custo do Ciclo de Vida da Subestação com o uso da IEC

61850 comparada com a redução “sem o uso da Norma” é o dobro.

Figura 13 - Custo de manutenção dos equipamentos no ciclo de vida da subestação (Fonte:

ANDERSSON, 2001)

2.10 - IEC 61850 sob o ponto de vista da Concessionária de Energia

A Comisión Federal de Electricidad (CFE) é uma companhia governamental

que gera, transmite e distribui energia para mais de 80 milhões de pessoas no Méxi-

co. A CFE tem operado subestações de transmissão remotamente por mais de 25

anos e desenvolveu uma especificação que foca na topologia da rede, funcionalida-

de e características do equipamento. Em 1990 a CFE migrou sua especificação para

DNP3 e em 2000 passou a usar a Ethernet como a rede a ser utilizada nas subesta-

ções. Atualmente a CFE está implementando a IEC 61850 no projeto La Venta II, a

qual é parte da rede de transmissão eólica Wind Farm La Venta II em 230kV.

(ESPINOSA, 2007).

O grupo Bandeirante Energias do Brasil através de seu programa de Pesqui-

sa e Desenvolvimento Tecnológico (P&D) financia o projeto: “Sistema Padronizado

de Parametrização de Relés de Proteção usando a Norma IEC61850” cujos objeti-

vos são:

• Desenvolver um sistema único para ajustes de relés de proteção, indepen-

dente de fabricante e plataforma computacional;

Page 38: IEC 61850 Monografia

38

• Implementar o padrão de interface de comunicação de dados da série IEC

61850 como meio de apresentação e configuração dos parâmetros de ajustes

dos relés de proteção para interação com o usuário;

• Implementar o Modelo Comum de Informações (CIM) da série IEC 61970, na-

quilo que for pertinente, como meio para armazenamento dos dados relativos

aos relés e seus parâmetros, bem como para funcionamento geral do siste-

ma;

• Implementar um mecanismo de tradução dos ajustes de configuração (defini-

dos como telegramas IEC 61850) para os arquivos proprietários de configura-

ção de cada relé/fabricante, e a sua conseqüente geração em formato XML;

• Implementar um mecanismo para inserção de dados relativos a novos equi-

pamentos que venham a ser lançados no mercado;

• Disponibilizar uma interface para ajustes e configuração direta de relés de

proteção já construídos de acordo com as recomendações da série IEC

61850;

• Implementar mecanismos de segurança para garantir o acesso exclusivo de

usuários autorizados;

• Implementar mecanismos para adequação do sistema a futuras evoluções da

série IEC 61850;

• Garantir a integração da interface em qualquer ambiente computacional, atra-

vés de utilização de tecnologias de Internet. (BANDEIRANTE, 2005/2006)

Outro exemplo é a Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do

Sul (CEEE) que está investindo na utilização/implantação da IEC 61850. A CEE já

possui em um projeto Básico de Homologação de Sistema Digital IEC 61850 que se

destina a aquisição de Sistemas Digitais baseados na norma IEC 61850 (SD-61850)

a serem aplicados nas subestações da CEEE Distribuidora. Somente as Empresas

devidamente habilitadas e com seus SD-61850 homologados poderão participar de

processos licitatório para fornecimento destes equipamentos.

Outra empresa no Brasil que acredita nos benefícios da IEC 61850 é a Eletro-

sul que contratou uma empresa para o fornecimento de sistemas de proteção, con-

trole e supervisão de montagem e comissionamento de três subestações no Rio

Page 39: IEC 61850 Monografia

39

Grande do Sul (Gravataí 3, Atlântida 2 e Osório 2). Estas subestações fazem parte

de um conjunto de obras da rede básica, necessárias para melhorar as condições de

desempenho do sistema elétrico na região metropolitana de Porto Alegre. Neste for-

necimento foi utilizada uma solução de alta tecnologia baseada no Protocolo IEC

61850, que permite a otimização do sistema e a combinação de equipamentos de

diversos fornecedores. Esse protocolo possibilita à empresa uma maior confiança do

sistema, redução de custos e ganhos operacionais, fator importante para o forneci-

mento de energia. (DAINESE, 2006)

Page 40: IEC 61850 Monografia

40

3. Conclusão

Atualmente existe uma grande quantidade de protocolos e padrões de comuni-

cação para o sistema elétrico utilizado em subestações, portanto tornou-se necessá-

ria a normatização de um protocolo que garantisse que dispositivos de proteção de

diferentes fabricantes se comunicassem sem ambigüidade e sem a utilização de

conversores de protocolo, além da redução dos custos de projetos, de implementa-

ção, de manutenção de uma SE e de treinamento de pessoal.

O protocolo IEC 61850 é o único protocolo normatizado que consegue satisfa-

zer a todas estas condições. A Norma trouxe vários benefícios técnicos como: A eli-

minação de diversos protocolos operando em um Sistema Elétrico, o fim do modelo

mestre-escravo e a implementação do modelo cliente-servidor, o que proporciona

um ganho de tempo na atuação do dispositivo de proteção, a simplificação da fiação

e a eliminação de conversores de protocolo que introduzem um atraso no sistema,

dentre outros.

Apesar do seu custo de implantação inicial relativamente superior, se compa-

rado com os outros protocolos, a IEC 61850 possui benefícios econômi-

cos concretos. O principal benefício econômico da Norma está na manutenção das

SE em longo prazo, pois quando comparada com as opções de implantação de uma

subestação sem a possibilidade de aplicação da Norma devido às limitações dos

equipamentos. Entretanto se os equipamentos existentes na subestação permitirem

uma aplicação parcial da Norma, ainda assim o custo de manutenção é muito supe-

rior do que se os equipamentos permitirem a utilização de todas as funcionalidades

da IEC 61850.

Automação de uma SE pode ser feita com a utilização de diversos protocolos

de comunicação, cada um com seus benefícios e suas limitações, cabendo ao usuá-

rio escolher a melhor solução custo-benefício para seu sistema.

A norma IEC 61850 é nova e pouco difundida, por este motivo as empresas es-

tão cautelosas em utilizá-la, pois é necessário um investimento maior que o atual em

equipamentos, treinamento de pessoal além da preocupação de na ocorrência de

um erro, parar sua planta. Apesar disso várias empresas demonstram interesse em

utilizar o protocolo IEC 61850 e estão implementando projetos pilotos para testar sua

funcionalidade e benefícios. Porém, vale ressaltar que a Norma está sendo divulga-

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da pelos principais fabricantes, o que pode causar uma dependência por parte do

cliente.

O trabalho desenvolvido possibilitou aprofundar o conhecimento sobre o proto-

colo de comunicação IEC 61850, seus benefícios técnicos e econômicos, concluin-

do-se que a Norma IEC 61850 é eficaz e gradativamente substituirá os protocolos

existentes.

O protocolo de comunicação IEC 61850 está em alta no mercado tanto brasilei-

ro quanto internacional e substituirá os demais protocolos não apenas pelos benefí-

cios técnicos e econômicos aqui demonstrados, mas principalmente devido à intero-

perabilidade, que possibilita o uso de equipamentos de fabricantes diferentes dimi-

nuindo assim o custo gerado pela compra de equipamentos de um único fabricante e

aumentando a versatilidade dos sistemas.

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ANEXOS

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Email – Posição da Coelba sobre a IEC 61850 Nogueira, Bruno Vasquez De: [email protected] Enviado em: segunda-feira, 12 de novembro de 2007 12:31 Para: Nogueira, Bruno Vasquez Assunto: Re: IEC 61850 Página 1 de 2 12/11/2007 Bruno, Segue abaixo complementos ao que você relatou. Grato, Sérgio Lessa Gestor da Unidade de Planej. e Automação de Sistemas Integrados - EAAS Depart. de Automação e Telecomunicação - EAT Fone 0xx71 3370-5293 Fax 0xx71 3370-5769 Celular 0xx71 9961-7106 e-mail: [email protected] Prezado Sergio, Conforme conversado, estou enviando este e-mail com um resumo da nossa conversa para que pos-sa utilizá-lo como um anexo à minha monografia. Sinta-se a vontade para tecer comentários e efetuar as correções necessárias. 1) A Coelba, após o Simpase, está começando a estudar mais a fundo a IEC 61850. A Coelba aproveitou a realização do VII Simpase em Salvador para discutir internamente a IEC 61850, concluindo que: - a aplicação da IEC, conforme evidenciado no Simpase, com forte participação dos fabricantes de IEDs; - simulação de uso da norma IEC numa subestação recém construída indica um custo 227% superior ao padrão existente, impactado principalmente pela nova plataforma de IEDs necessária; - é importante acompanhar o estado da arte em automação, com as devidas precauções; - a definição em utilizar a norma IEC 61850 implica necessariamente em ampliar os recursos de investimentos necessários para automação de subestações. 2) A Coelba possui 50% do seu parque automatizado utilizando o protocolo DNP3. A Coelba possui nesta data 272 subestações, sendo 149 automatizadas. Destas 149, 115 são digita-lizadas com protocolo DNP entre IEDs e Remota, 8 são digitalizadas no modelo SIPCO (Sistema In-tegrado de Proteção e Controle) com protocolo Procome entre IEDs e Remota e 27 são adaptadas, onde foi utilizado a proteção existente (relés eletromecânicos), com a monitoração e comandos da subestação sendo realizados através da Remota e a medição através de Transdutores de Medidas que se comunicam com a Remota através do protocolo Procome. Em todas estas 149 subestações, o protocolo entre a remota e o Centro de Operação é o IEC 101.

"Nogueira, Bruno Vasquez" <[email protected]>

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08/11/2007 13:20 Para: < [email protected]> cc: Assunto: IEC 61850 3) Devido a limitações econômicas e ao nível de implementação da Norma IEC 61850 que ainda não está muito avançado, a Coelba não investirá nesse protocolo sem que haja mais referências para se comparar. A questão principal para uso da norma IEC 61850 neste momento é em relação ao montante neces-sário. Conforme citado acima, o investimento necessário para utilizar a nova norma é alto; há avanço sufici-ente neste novo protocolo para seu uso entre IEDs e Remota. O mercado de IEDs com a nova norma precisa se consolidar para que ocorra mais aplicações, mais treinamentos, e para que os preços pos-sam diminuir. Esta consolidação, certamente, permitirá a disseminação desta norma no setor elétrico, onde a Coelba está inserida. 4) A Celpe, do Grupo Neoenergia, mesmo grupo da Coelba, lançou este ano um projeto piloto de uma substação implementada com o prolocolo IEC 61850. Dentro de um conjunto de automações que a Celpe está realizando, escolheu-se uma subestação para se implementar o novo protocolo. A implementação será feita pelo fabricante de IEDs, sendo contemplado neste fornecimento treinamento e start-up da nova instalação. Obrigado, Bruno V. Nogueira Siemens Ltda. PTD Salvador Tel: + 55 71 3340 1406 Cel: + 55 71 9161 7538 Fax: + 55 71 3340 1433 [email protected] ________________________________________ Important notice: This e-mail and any attachment thereof contains corporate proprie-tary information. If you have received it by mistake, please notify us immediately by reply e-mail and delete this e-mail and its attachments from your system. Thank you. For alternate languages please go to http://www.siemens.com.ar/disclaimer/ Página 2 de 2 12/11/2007

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