UFPA
APLICAÇÃO DA NORMA IEC 61850 EM AUTOMAÇÃO DE
SUBESTAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA
BRUNO PEREIRA DE SOUZA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
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Norma IEC 61850: Automação de Subestações e seus Benefícios, Teses (TCC) de Automação
TCC na Area de Automação em Subestação
Tipologia: Teses (TCC)
2020
1 / 62
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UFPA
APLICAÇÃO DA NORMA IEC 61850 EM AUTOMAÇÃO DE
SUBESTAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA
BRUNO PEREIRA DE SOUZA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
BRUNO PEREIRA DE SOUZA
APLICAÇÃO DA NORMA IEC 61850 EM AUTOMAÇÃO DE
SUBESTAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA
Monografia submetida ao colegiado do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará como parte dos requisitos para obtenção do Grau em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Ivaldo Ohana
TUCURUÍ
DEZEMBRO 2013
iv
À meus pais, Laudicéia Meireles Pereira e Adolfo Ramos de Souza.
v
AGRADECIMENTOS
À Deus. Obrigado por conceder o fôlego de vida que me mantém ciente, todos os dias, de que o Senhor existe e me apóia.
Agradeço a minha amada companheira de todas as horas, Poliana Mendes Vidal, você com certeza tem um capítulo especial nesta caminhada, pelo apoio, companheirismo e paciência, principalmente este último, porque sem ela, não teríamos enfrentado juntos os momentos difíceis, quando as forças para continuar se esvaíam em frente aos obstáculos. Obrigado por me dizer as palavras de coragem em momentos turbulentos e pelas palavras de incentivo para continuar fortalecendo o credo em meus sonhos. Hoje Acredito.
A toda minha família em especial minha mãe Laudicéia Meireles Pereira, que por estes longos anos de estudo sempre esteve perto de mim, concedendo-me suas palavras de amor e carinho, afagando minhas ansiedades, diminuindo-as e permitindo eu manter sempre o meu foco diante dos desafios. Ao meu pai Adolfo Ramos de Souza, pelas ajudas práticas de seus conhecimentos do dia-a-dia, sem elas com certeza, não seria o mesmo, obrigado pai. A minha vovó Lindalva Meireles Pereira, pela sua atenção e apoio.
Agradeço aos meus colegas de classe com quem compartilhei verdadeiros momentos de alegria da minha vida de estudante, aos intermináveis "corujões" face às provas, pareciam intermináveis, as provas e os "corujões". Antes éramos fracos, mas nos tornamos fortes, fomos moldados como o aço.
Ao Mestre Ivaldo Ohana. Não imaginaria, que durante estes anos, aprenderia tanto com o senhor, sua visão crítica do "sistema" me ajudou a melhorar o meu olhar crítico de mundo no qual vivo e que temos sim de questionar quando alguma coisa não está certa. Obrigado.
vii
RESUMO
SOUZA, B. P. “APLICAÇÃO DA NORMA IEC 61850 EM AUTOMAÇÃO DE
SUBESTAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA”, Universidade Federal do Pará – UFPA, 2013, 62 p.
O presente trabalho irá apresentar a norma internacional IEC 61850, identificando sua aplicabilidade geral em relação à automação existente na maioria das plantas industriais, explanando suas características e suas vantagens em relação a crescente demanda de modernização. Além disso, será explanado como essa norma opera em subestações permitindo com que dispositivos inteligentes de diferentes fabricantes possam se comunicar sem a necessidade do uso de conversores de protocolos.
Palavras-chave: Subestação, Automação, IEC 61850, Interoperabilidade, IED, Comunicação, Protocolos.
viii
ABSTRACT
SOUZA, B. P. "APPLICATION OF STANDARD IEC 61850 IN AUTOMATION OF
SUBSTATIONS ELECTRIC POWER", Federal University of Pará - UFPA, 2013, 62 p.
This paper will present the international standard IEC 61850, identifying its general applicability to the existing automation in most industrial plants, explaining their characteristics and advantages in relation to increasing demand of modernization. Moreover, it will be explained how this standard operates in substations that allowing intelligent devices of different manufacturers can communicate without the use of protocol converters.
Keywords: Substation, Automation, IEC 61850, Interoperability, IED, Communication, Protocols.
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- 3.4. Nós Lógicos - 3.5. Pilha de Protocolos e Classificação do tipo de Mensagens - 3.6. Protocolo MMS - 3.7. Modelo de Comunicação ACSI................................................................... - 3.8. Mensagens GSE - 3.8.1. Mensagens GOOSE - 3.8.2. Mensagens GSSE - 3.9. Protocolo SV............................................................................................... - 3.10. SCL – Linguagem de Configuração de Subestação - 3.11. Barramento de Processo - 3.12. Comparativo DNP-3 x IEC - 3.13. As principais vantagens da IEC - CAPÍTULO
- CONSIDERAÇÕES FINAIS
- operação da IEC 4.1. A herança dos protocolos de comunicação e sua relação com o modo de
- 4.2. Principais Características Abordadas
- 4.3. Maiores Benefícios
- 4.4. Conclusões
- 4.5. Trabalhos Futuros
- CONSIDERAÇÕES FINAIS
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- Figura 2.1 - Níveis de uma subestação [4] LISTA DE FIGURAS
- Figura 2.2 - Exemplos de Barramentos de Processo [4]
- Figura 2.3 - Principais protocolos usados para automação [8]
- Figura 2.4 - Modelo OSI [10]
- Figura 3.1 - Uso de Diferentes Protocolos de Comunicação em Subestações [14]
- Figura 3.2 - Estrutura da Norma [2]
- Figura 3.3 - Roteiro de análise da Norma IEC 61850 [2]
- Figura 3.4 - Diagrama Esquemático de um IED [17] [18]
- Figura 3.5 - Exemplos de Aplicação com IED moderno [18]
- Figura 3.6 - Anatomia da representação de um Objeto IEC 61850-8-1 [19].............
- Figura 3.7 - Estrutura Lógica dos IED’s [20]
- Figura 3.8 - Arquitetura de uma IED [21]
- Figura 3.9 - Pilha de Protocolos Simplificada da IEC 61850 [8] [11]
- Figura 3.10 - Exemplo de Descarte de Cargas [6]....................................................
- Figura 3.11 - Mecanismo de Retransmissão de Mensagens GOOSE [8]
- IEC 61850-6 [25] Figura 3.13 - Estrutura da Linguagem de Configuração da Subestação definido na
- Figura 3.14 - Conceito de um Merging Unit [27]
xiii
LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES
A/D Conversor Analógico/Digital ACSI Abstract Communication Service Interface BP Barramento de Processo CAN Controller Area Network CDC Common Data Class CID Configured IED Description D/A Conversor Digital/Analógico DNP Distributed Network Protocol DO Data Objects GOOSE Generic Object Oriented Substation Event GSE Generic Substation Events GSSE Generic Substation Status Event ICD IED Capability Description IEC International Electrotechnical Commission IED Intelligent Electronic Device IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IHM Interface Homem-Máquina IP Internet Protocol ISO International Standards Organization LAN Local Area Network LD Logical Device LN Logical Nodes LON Local Operating Network MMS Manufacturing Message Specification MU Merging Unit MV Measured Value OSI Open Systems Interconnection PLC Programmable Logic Controller PROFIBUS Process Field Bus SAS Substation Automation System SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
xiv
SCD Substation Configuration Description SCL Substation Configuration Language SE Subestação de Energia SEL Schweitzer Engineering Laboratories SEP Sistema Elétrico de Potência SSD System Specification Description SV Sampled Values SMV Sampled Measured Value TC Transformador de Corrente TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol TP Transformador de Potencial UCA Utility Communication Architecture UDP User Datagram Protocol UTR Unidade Terminal Remota V-LAN Virtual LAN XCBR Circuit Breaker XML eXtensible Markup Language
I N T R O D U Ç Ã O | 16
é nesse momento que surge um intérprete que torne isso possível. Para isso, o protocolo ou norma IEC 61850 permite que esse conflito entre equipamentos de fabricantes diferentes seja solucionado. Ela define e padroniza o modelo dos dados que representam os atributos e funções dos dispositivos físicos de uma subestação ou usina do sistema elétrico permitindo que haja conversas entre si sem perdas.
1.1 Objetivos
Este trabalho tem por finalidade apresentar uma visão geral do protocolo IEC 61850 que está em fase inicial no Brasil, seus benefícios técnicos e econômicos e ajudar a difundir entre as indústrias e concessionárias.
1.2 Justificativa
A necessidade de interoperabilidade entre IED’s de proteção de diferentes fabricantes se tornou importante para obtenção de uma operação adequada da interligação dos dados na subestação [1]. Com a implementação do protocolo IEC 61850 elimina-se ao excesso de protocolos existentes no mercado e o alto custo da fiação, manutenção e operação, possibilitando expansão em longo prazo e diminuindo o custo operacional, aumentando a confiabilidade do sistema e provendo uma segurança aos seus funcionários.
CAPÍTULO 2
SUBESTAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA
2.1. Introdução
Nos últimos anos tem-se verificado a utilização cada vez mais generalizada de meios computacionais e informáticos nas empresas e indústrias dos mais diversos ramos de atividade. A utilização destes meios permite melhorar e tornar mais eficiente à execução de tarefas isoladas quer ao nível dos processos produtivos quer ao nível de gestão. Esta intensificação da automação de processos vem implicando em profundos impactos nos processos produtivos em diversos segmentos industriais e em toda a sua cadeia produtiva. Nas Subestações que alimentam esses processos produtivos não é diferente, onde equipamentos de medição e proteção eletromecânicos obsoletos estão sendo substituídos por equipamentos mais modernos e microprocessados, provocando um constante aperfeiçoamento na tecnologia da informação para que esses novos equipamentos possam se comunicar.
2.2. Definição
Uma subestação pode ser definida como a interconexão de vários equipamentos elétricos de alta e média tensão, usados para manobra (disjuntores e seccionadores), interconexão (barramentos), transformação (transformador de tensão, corrente), regulação, compensação (bobinas e compensadores) e elementos de proteção (para-raios, aterramentos). Estes equipamentos são usados com a finalidade de direcionar, controlar e monitorar o fluxo de energia num sistema elétrico de potência [2]. Ou podemos dizer que subestação é um conjunto de condutores, aparelhos e equipamentos destinados a modificar as características da energia elétrica (tensão e
S U B E S T A Ç Õ E S D E E N E R G I A E L É T R I C A | 19
Figura 2. 1 - Níveis de uma subestação [5]
2.4. Arquiteturas
Baseada nas definições anteriores, podemos descrever três diferentes arquiteturas usadas atualmente para a automação de subestações: Soluções Centralizadas – são caracterizadas por terem um elemento central de computação, armazenamento de dados e comunicação. Nesse caso, para representar isso, podemos exemplificar esta solução com o uso de uma central UTR (Unidade Terminal Remota) de funções de controle e monitoramento. Todas as aplicações são executadas na UTR, e todos os dados, provenientes do processo, são solicitados e armazenados na UTR. Soluções Descentralizadas – são muito comuns em sistemas de automação de subestações atuais. Eles possuem uma IHM (Interface Homem-Máquina) e um gateway no nível de estação, todas as unidades de proteção e controle no nível de bay e uma interface convencional para o nível de processo. Os níveis de estação e bay são conectados via barramento de estação. Nessa solução a maior funcionalidade de controle e proteção está localizada no nível de bay. O gateway é o ponto simples de conexão remota.
S U B E S T A Ç Õ E S D E E N E R G I A E L É T R I C A | 20
Soluções Descentralizadas BP – é semelhante à solução descentralizada descrita acima, porém com um BP (Barramento de Processo) para a conexão entre o bay e o nível de processo em vez da interface convencional. O barramento de processo conecta-se a sensores inteligentes no nível de processo.
Figura 2 .2 - Exemplos de Barramentos de Processo [5]
2.5. A importância da automação em Subestações
O principal objetivo de uma subestação é manter da melhor forma possível o fornecimento estável e constante de energia elétrica que será entregue ao consumidor. Portanto, essa entrega de energia deve ser realizada com o mais alto nível de qualidade. Daí surge à necessidade de existir sistemas automatizados que proporcionem vantagens em relação ao tempo de resposta dos equipamentos. E não somente isso, podemos citar várias razões de que o caminho é esse, por exemplo, podemos citar:
Rapidez, precisão e confiabilidade; Minimização de falhas no SEP;