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Norma IEC-61850: Padronização de Comunicação em Subestações, Trabalhos de Automação

área de automação industrial em subestação

Tipologia: Trabalhos

2020

Compartilhado em 16/09/2020

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C E N T R O F E D E R A L D E E D U C A Ç Ã O T E C N O L Ó G I C A D E M I N A S G E R A I S
D E PA RT AM E NT O AC A M I C O DE EN GE N H A R I A E L É TR I C A
Av. Amazonas, 7675, bairro Nova Gameleira, Belo Horizonte, MG-Brasil, CEP.: 30.510-000 www.cefetmg.br
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO II
Aplicação da norma IEC-61850 para
automação de subestações elétricas
Aluno: Vinícius de Pinho Matos Fernandes
Orientador: José Pereira Silva Neto
Belo Horizonte
19 de agosto de 2014
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TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO II

Aplicação da norma IEC-61850 para

automação de subestações elétricas

Aluno: Vinícius de Pinho Matos Fernandes Orientador: José Pereira Silva Neto

Belo Horizonte

19 de agosto de 2014

Vinícius de Pinho Matos Fernandes

Texto Final do Trabalho de Conclusão de Curso II submetido ao Professor da disciplina de TCC2 do Curso de Engenharia Elétrica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais.


Aluno: Vinícius de Pinho Matos Fernandes


Orientador: José Pereira Silva Neto


Professor da Disciplina de TCC2: Eduardo Coppoli


Professor avaliador 1: Eduardo Gonzaga


Professor avaliador 2: Marcos Fernando dos Santos

Resumo

Com o crescente número de empresas oferecendo soluções em proteção para Subestações, vários equipamentos foram surgindo a fim de se tornar o mais adequado para as diversas aplicações, cada qual com suas características próprias de comunicação. A partir desse problema surgiu a norma IEC-61850, que tem como intuito universalizar a comunicação entre equipamentos de proteção de uma Subestação. Visto que essa norma ainda é recente, esse trabalho visa mostrar todas as características e vantagens da mesma. É mostrada a evolução dos equipamentos de uma Subestação e a comunicação dos mesmos, juntamente com a norma em si com a descrição de suas partes. Toda a configuração e os tipos de comunicação serão explicados, demonstrando a principal característica da norma, que é a interoperabilidade. Os testes presentes também serão abordados, juntamente com exemplos para maior compreensão. Por fim, testes numa configuração de subestação existente em um projeto mostrarão a eficácia do que propõe a norma, demonstrando, através de análises, todas as melhorias proporcionadas, do ponto de vista da norma.

Sumário

AGRADECIMENTOS……………………………………………………….…………iii

RESUMO………………………………………………………………………………..iv

SUMÁRIO………………………………………………………………………….…....v

LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………….….ix

LISTA DE TABELAS............................................................................................xi

LISTA DE SIGLAS………………………………………………………………….…xii

LISTA DE ANEXOS.............................................................................................xiii

1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 14

1.1 Relevâncias do Tema em Investigação ........................................ 14

1.2 Objetivos do Trabalho ................................................................... 15

1.3 Metodologia .................................................................................... 15

1.4 Organização do Trabalho .............................................................. 15

2. AUTOMAÇÃO NAS SUBESTAÇÕES ...................................................... 17

2.1 Introdução ...................................................................................... 17

2.2 Equipamentos de uma SE e sua evolução na proteção ......... .... 2.2.1 Transformadores de Potência......................................................... 2.2.2 Chaves Seccionadoras................................................................... 2.2.3 Para-Raios...................................................................................... 2.2.4 Isoladores................................................................................ ...... 2.2.5 Transformadores de Potencial................................................... ... 2.2.6 Transformadores de Corrente (TC) ............................ .................. 2.2.7 Disjuntores......................................................... ............................ 2.2.8 Fusíveis........................................................................................... 2.2.9 Relés............................................................................................... 2.3 Por que aplicar a tecnologia numa SE? ....................................... 22

2.4 Requisitos do Mercado e Tendências .......................................... 22

  • 2.5 Considerações Finais
    1. ARQUITETURAS DE COMUNICAÇÃO....................................................
    • 3.1 Introdução
    • 3.2 Modelo ISO/OSI
    • 3.3 ETHERNET......................................................................................
      • 3.3.1 VLAN......................................................... .....................................
      • 3.3.2 Problema principal - Colisões..........................................................
    • 3.4 Acesso ao meio físico
      • 3.4.1 Mestre-escravo................................................................................
      • 3.4.2 Passagem de Token.....................................................................
      • 3.4.3 Múltiplo acesso com detecção de portadora...................................
    • 3.5 Concentradores
    • 3.6 Switches
    • 3.7 Topologias
    • 3.8 Considerações Finais
    1. A NORMA IEC-61850
    • 4.1 Introdução
    • 4.2 Comunicações entre equipamentos na SE..................................
    • 4.3 Estrutura da IEC-61850
    • 4.4 Modelagem de dados.....................................................................
    • 4.5 Grupos de LN
    • 4.6 Livre alocação de LN
    • 4.7 Serviços de Comunicação
    • 4.8 Considerações Finais
    1. COMUNICAÇÃO MODELO IEC-61850
    • 5.1 Introdução
    • 5.2 Linguagem SCL
    • 5.3 Serviços de tempos críticos – GOOSE e SV................................
      • 5.3.1 Mensagens GOOSE.......................................................................
      • 5.3.2 Sampled Values..............................................................................
    • 5.4 Comunicação fora tempo crítico
    1. Aplicações diretas da norma iec-61850
    • 6.1 Introdução
    • 6.2 Transferência Automática
    • 6.3 Reaceleração
    • 6.4 Troca dinâmica de grupo de ajuste de proteção
    • 6.5 Proteção: Relé de bloqueio do Trafo (86T)
    • 6.6 Falha Disjuntor (50BF)
    • 6.7 Bloqueio Reverso (Seletividade Lógica)
    • 6.8 Considerações finais
    1. ESTUDO DE CASO
    • 7.1 Introdução
    • 7.2 Relé GE família UR
    • 7.3 Relé SIPROTEC 7SJ64 Siemens
    • 7.4 Configuração
      • 7.4.1 Comunicação Relé GE....................................................................
      • 7.4.2 Comunicação Relé Siemens...........................................................
      • 7.4.3 Resumo das comunicações............................................................
    • 7.5 Teste da Interoperabilidade
      • 7.5.1 Seletividade Lógica.........................................................................
      • 7.5.2 Falha Disjuntor................................................................................
      • 7.5.3 Transferência Automática...............................................................
      • 7.5.4 Resultados......................................................................................
    1. CONCLUSÃO
    1. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
  • subestação a serem integradas[8] ........................................................................ Figura 2.1 - Diferentes tipos de comunicações existentes nos níveis de
  • comunicação e automatização [10] ....................................................................... Figura 2.2 - Linha do tempo registrando os avanços das técnicas para
  • Figura 3.1 - As sete camadas ISO ........................................................................
  • Figura 3.2 - Serviços e Protocolos, camada ISO/OSI [12] ....................................
  • Figura 3.3 - VLAN em switches e quadros [12] .....................................................
  • Figura 3.4 - Quadros Ethernet IEEE 802.3 x 802.1Q [10] .....................................
  • Figura 3.5 - Modelo Mestre-Escravo .....................................................................
  • Figura 3.6 - Modelo PASSAGEM DE TOKEN .......................................................
  • Figura 3.7 - Colisão no Modelo de Múltiplo Acesso ..............................................
  • Figura 3.8 - Hub para IED .....................................................................................
  • Figura 3.9 - Repetidor [10] ....................................................................................
  • Figura 3.10 - Topologia Estrela funcionando 100% e com falha no Switch 3 [13].
  • Figura 3.11 - Topologia Anel funcionando 100% e com falha no Switch 3 [13] .....
  • Figura 3.12 - Topologia Anel sem Loops [12] ........................................................
  • processo [10] ......................................................................................................... Figura 4.1 - Comunicação vertical entre níveis de operação, barramento e
  • processo [10] ......................................................................................................... Figura 4.2 - Comunicação vertical entre níveis de operação, barramento e
  • Figura 4.3 - Solução implantada na IEC-61850 [12]..............................................
  • Figura 4.4 - Hierarquia dos dados [10] ..................................................................
  • Figura 4.5 -Integração das Funções num IED, demonstrando seus LN [5] ...........
  • Figura 4.6 - Esquema de operação de comando com Select Befor Operate [10].
  • 61850 [7] ............................................................................................................... Figura 5.1 - Medição do tempo de transferência GOOSE de acordo com a IEC-
  • Figura 6.1 - Passo-a-passo da lógica de Transferência Automática .....................
  • Figura 6.2 - Lógica de Reaceleração ....................................................................
  • Figura 6.3 - Funcionamento da Troca dinâmica de grupo de ajuste de proteção.
  • Trafo ...................................................................................................................... Figura 6.4 - Antes e depois no caso da presença de lógica de relé de bloqueio do
  • Figura 6.5 - Falha Disjuntor ...................................................................................
  • Figura 6.6 - Funcionamento da Seletividade Lógica .............................................
  • Figura 7.1 - Configuração do IP do IED ................................................................
  • Figura 7.2 - Configuração do GGIO1 ....................................................................
  • Figura 7.3 - Configuração da mensagem transmitida............................................
  • Figura 7.4 – Configuração de DataSetItem ...........................................................
  • Figura 7.5 - Configurando os Dispositivos Remotos .............................................
  • Figura 7.6 - Configurando as Entradas Remotas ..................................................
  • Figura 7.7 - Tela Inicial do Digsi para cada IED ....................................................
  • Figura 7.8 - Definindo o IP do IED Siemens ..........................................................
  • Figura 7.9 - Resumo de Pontos Recebidos do IED ...............................................
  • Figura 7.10 - Resumo dos pontos transmitidos do IED ........................................
  • Figura 7.11 - Janela de Lógicas ............................................................................
  • Figura 7.12 - Tempo Seletividade Lógica ..............................................................
  • Figura 7.13 - Tempo Falha Disjuntor .....................................................................
  • Figura 7.14 – Tempo Transferência Automática ...................................................

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Envio de dados entre os IEDs................................................ TABELA 2 - Recebimento de dados entre os IEDs.................................... TABELA 3 – Resultados.............................................................................

LISTA DE ANEXOS

I – DIAGRAMA UNIFILAR..............................................................

II – LÓGICAS DE CADA IED..........................................................

1. INTRODUÇÃO

1.1 Relevâncias do Tema em Investigação

O crescente desenvolvimento industrial mundial necessita que os custos sejam reduzidos ao máximo, assim como a segurança dos processos deve ser potencializada, pois perder produção é perder dinheiro. E esse fator é passado para a subestação que alimenta todo o processo industrial. Nas subestações toda a operação é realizada de forma conjunta, e com essa variedade imensa de equipamentos, a comunicação entre eles se tornou um obstáculo considerável, já que os protocolos existentes em cada aparelho não eram comuns a todos, e, muitas vezes, custos que poderiam ser evitados não eram justamente pela necessidade de comunicação. Esse custo poderia acontecer por dois motivos principais: escolha da marca de um equipamento, para que o protocolo já viesse comum aos aparelhos e a necessidade de compra de gateways com o intuito de converter os protocolos para estabelecer contato. A IEC-61850 foi criada para evitar isso e qualquer outro conflito decorrente de dificuldade de comunicação, padronizando de vez o modo que toda e qualquer informação trocada entre equipamentos. Essa norma já é realidade e vem sendo implementada, com uma proteção mais eficaz, visto que os equipamentos passam a se comunicar diretamente um com o outro e com custo reduzido. Com tais vantagens, as antigas SEs vão sendo modernizadas, e com equipamentos com tecnologia disponível para atender essa norma, ela vem confirmando a tendência, sendo necessário o entendimento pleno dela para todos que tenham como objetivo trabalhar no meio automatizado da SE, e é justamente isso que o trabalho presente irá mostrar, se tornando como uma referência útil a quem tiver dúvidas sobre vantagens e como utilizar a norma IEC-61850.

No Capítulo 2 será mostrada a história e evolução dos relés de proteção presentes nas subestações, desde o início até hoje, com a tecnologia mais recente. Nele também teremos uma breve revisão referente à proteção elétrica. O Capítulo 3 mostrará as arquiteturas de comunicação, o modelo OSI e alguns protocolos existentes, além de diversas topologias que podem ser empregadas para a montagem do equipamento da SE. O Capítulo 4 trará todo conceito que é aplicado na Norma IEC-61850 em si, juntamente com explicações dos aspectos presentes nela, sua modelagem de dados, arquitetura e princípios de comunicação. O Capítulo 5 mostra como é a comunicação nos padrões da norma IEC- 61850, as linguagens utilizadas e criadas, e a característica da comunicação para diferentes serviços. O Capítulo 6 descreverá os tipos de aplicações diretos da IEC-61850, interoperabilidade e testes de desempenho. O Capítulo 7 mostrará a aplicação real do relé UR da GE se comunicando de acordo com a norma, a montagem utilizada, configurações presentes no equipamento. O Capítulo 8 será onde as conclusões serão tomadas.

2. AUTOMAÇÃO NAS SUBESTAÇÕES

2.1 Introdução

A automação de uma subestação engloba todas as atividades que não são possíveis e/ou práticas para serem realizadas manualmente. Indo mais além e usando a automação de subestação como um artifício de interface para o controle de rede, ocorre um processo onde: todas as informações do Sistema Elétrico de Potência são adquiridas pelo Sistema de Automação da Subestação, todas as ações do SEP são efetuadas pelo mesmo Sistema de Automação, através do operador e toda a proteção presente na SE é uma parte integrante do Sistema. [1] Esse capítulo tem como objetivo mostrar os conceitos básicos da comunicação de uma subestação, com um histórico da evolução dos equipamentos até o presente momento, entendendo melhor, assim, como ocorre a proteção da mesma. Além disso, introduzirá o porquê investir na automação das subestações, tendências e os requisitos do mercado nessa área.

2.2 Equipamentos de uma SE e sua evolução na proteção

A maneira com a qual tais equipamentos operam não é descrita em detalhes, sendo válida, para o enfoque deste estudo, apenas uma visão superficial dos mesmos.

2.2.1 Transformadores de Potência O Transformador é o equipamento responsável para a seleção do nível de tensão que os equipamentos vão operar. Enquanto o primário recebe a energia da fonte, seu enrolamento secundário é responsável por abaixar, elevar ou deixar igual valor de tensão na carga (através da relação de espiras). É um equipamento fundamental numa Subestação, pois diferentes cargas necessitam de um diferente nível de tensão, no momento que a energia elétrica estiver sendo gerada, independente da distância. [2]

2.2.6 Transformadores de Corrente (TC) Existem casos onde a corrente no circuito é muito alta, complicando a medição dessa grandeza em termos de precisão e segurança. Para esse caso, é utilizado o TC, que é um transformador para reproduzir no secundário uma corrente proporcional à do seu primário, com sua posição fatorial igual. Essa proporção é conhecida e pode ser utilizada para instrumentos de medição, controle e proteção. Muitas vezes o TC já vem acoplado ao instrumento de medição, outras vezes o instrumento é anexado ao transformador para a recepção dessa corrente.

2.2.7 Disjuntores Disjuntores são equipamentos desenvolvidos com a finalidade de manobrar de forma adequada circuitos com correntes de carga ou defeito. A grande dificuldade nesse caso é a presença de arco elétrico no momento de manobra do equipamento. São extremamente importantes por operarem nessas condições descritas. [2] Os disjuntores possuem câmaras de extinção de arco elétrico, suficientemente robustas de acordo com os níveis de tensão e de corrente. A tecnologia utilizada carrega diferentes capacidades de extinção e custos variados. Sua manobra pode ser comandada por relés, que conduzem seu fechamento energizando diretamente a bobina do disjuntor, e são os principais equipamentos que fecham a ligação para alimentação de cargas.

2.2.8 Fusíveis Fusíveis são elementos de proteção contra curto-circuito, possuindo a capacidade de interromper trechos cuja corrente seja suficientemente alta, rompendo seu elo. [3] Atualmente, são menos utilizados devido à necessidade de troca a cada vez que atuam.

2.2.9 Relés Basicamente o equipamento responsável por identificar defeitos e anormalidades, atuando sobre os componentes defeituosos, é o relé de proteção. Apesar do sistema de proteção ser constituído de uma série de aparelhos, como o disjuntor, transformadores de corrente e de potencial, é o relé de proteção que

tem a responsabilidade pela lógica de atuação, ou seja, são eles que recebem os sinais dos TCs ou TPs e enviam o comando de abertura, ou não, dos disjuntores. Esses relés surgiram no início do século XX e são classificados de acordo com a tecnologia presente nos mesmos em: eletromecânicos, estáticos e digitais.

2.2.9.1 Relés Eletromecânicos Os primeiros a serem desenvolvidos, esses relés tinham sua atuação consistida em função da variação de uma grandeza elétrica. A variação da grandeza gerava uma força produzida pela interação eletromagnética entre a corrente e o fluxo magnético sobre um condutor móvel constituído por um disco ou cilindro, como se fosse um motor [4]. Devido à atuação somente por variação de tensão ou corrente, o máximo de proteção que o relé eletromecânico possuía eram as funções relacionadas a essas duas grandezas, sendo sobrecorrente instantânea ou temporizada e sub e sobretensão [5].

2.2.9.2 Relés Estáticos Com o aumento do nível de tensão e potência, aliada ao crescimento da subestação e complexidade de suas interligações, o sistema de proteção deveria ser mais estável e seletivo, para evitar o máximo a perda de cargas. O avanço da tecnologia de componentes semicondutores foi um aliado para a resolução do problema já citado, pois através dos transistores, diodos, entre outros, combinados, foi possível a criação do relé estático, que tem funções de comparação e medição. Sua evolução em relação aos eletromecânicos é grande, pois possuem maior facilidade de interpretação, ajuste e operação por parte do usuário, sendo possível desenvolver esquemas de proteção mais avançados [5]. A corrente do secundário do TC passa por dentro do relé, que após passar pelo circuito retificador, é comparado com uma tensão de referência definida pelo usuário. Se a tensão de entrada for maior que a de referência, o pulso de comando é gerado. Por não ter inércia mecânica, seu tempo de atuação é mais rápido do que o relé eletromecânico. Outra vantagem é possuir menor manutenção, pois não tem partes móveis, mas, em compensação, ele se sensibiliza a picos de energia e sua operação só é garantida num intervalo específico de temperatura.