AB/YY ENGENHARIA E DOCUMENTAÇÃO DE SISTEMAS NA NORMA … · Este conjunto de arquivos por sua vez integram o conceito de SCL – Substation Configuration Language – determinado

15 a 18 de setembro de 2019 Shopping RioMar Recife, Pernambuco

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ENGENHARIA E DOCUMENTAÇÃO DE SISTEMAS NA NORMA IEC 61850: ABORDAGEM ESTRUTURADA DOS ARQUIVOS SCL PARA COMUNICAÇÃO HORIZONTAL E VERTICAL

Julio Cezar de Oliveira(*) Gonzalo Humeres Flores Mateus Alexandrino ABB ELETROSUL ELETROSUL

SUMÁRIO As aplicações de automação de subestações foram impactadas de forma significativa pela norma IEC 61850 desde sua publicação em 2005. Os mecanismos de comunicação mestre-escravo e seus protocolos legados, muitas vezes proprietários, foram substituídos por arquiteturas do tipo cliente-servidor que utilizam a Ethernet (IEEE 802.3) como camada de enlace, oferecendo uma flexibilidade relevante para a elaboração de projetos modernos, agregando ainda a possibilidade de comunicação entre os IEDs de proteção e controle de forma cooperativa. Adiciona-se a este contexto a extensão das redes até o pátio da subestação promovendo a digitalização do envio dos diversos tipos de grandezas elétricas até a sala de controle. É notória também a introdução de novas técnicas para a engenharia dos sistemas de supervisão, controle e proteção por meio do uso da UML (1) - Unified Modeling Language e da XML – Extensible Markup Language.

No primeiro caso, observa-se que o modelo de dados adotado pela norma IEC 61850 obedece ao uma hierarquia de objetos e classes organizadas de tal forma a representar um elemento componente da aplicação como um disjuntor, transformador ou mesmo uma função de proteção com seus respectivos atributos. Já a técnica XML fora eleita para descrever como as funções e os dados se relacionam em um IED ou na subestação por completo, de uma maneira estruturada e compacta. A XML é o formato base de construção para os arquivos ICD, CID e IID (no domínio do IED) e SCD, SED, SSD (para a subestação). Este conjunto de arquivos por sua vez integram o conceito de SCL – Substation Configuration Language – determinado pela norma. Os endereços numéricos outrora empregados para conectar, por exemplo, a posição de um disjuntor em protocolos mestre-escravo foram substituídos pelos metadados, um conceito que torna a compreensão das informações mais clara e intuitiva já que um dado pode explicar a si próprio por meio de suas classes, objetos e atributos, além de propiciar uma abrangência mais ampla quanto ao mapeamento das funções interoperáveis que são distribuídas no projeto. Com os recursos citados, um arquivo SCL é capaz de descrever praticamente todas as funções disponíveis na aplicação e como elas se coordenam no âmbito das comunicações vertical (IEDs no nível 1 e o sistema supervisório SCADA no nível 2) e horizontal (entre os IEDs), e considerando o avanço das subestações digitais, ele pode listar o fluxo de informações disponibilizados pelas merging units ou equipamentos primários inteligentes até os IEDs. O SCL é, portanto, um elemento de documentação fundamental para os sistemas IEC 61850 e sua utilização será abordada neste trabalho. PALAVRAS-CHAVE SCL, IEC 61850, interoperabilidade, IET600, subestações.

1.0 - INTRODUÇÃO

As aplicações IEC 61850 com station bus ou process bus requerem um planejamento inicial no que

concerne às funções que serão necessárias para cumprir os requisitos do projeto (e por consequência, a definção dos Logical Nodes) e quais serão os serviços que farão parte da arquitetura de comunicação como indica a Figura 1.

Em um segundo momento avalia-se quais objetos serão considerados para compor os datasets, entidade que por analogia remete a uma folha de dados que será disponibilizada pelo servidor (o IED) para um cliente (o sisterma supervisório SCADA). Na sequência são elencados os sinais que serão enviados e recebidos entre os IEDs como disparos, intertravamentos e ativação de lógicas por meio de mensagens GSE para o tráfego de informações horizontais.


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FIGURA 1 – Serviços e funções do sistema de proteção e controle

Com base nas entradas preliminares da arquitetura e serviços, seleciona-se a faixa de endereços de rede IP para todos os IEDs e demais elementos conectados à topologia e que seguem o método cliente/servidor. Para tal observa-se também os relógios GPS, terminal servers, thin clients, gateways de comunicação e computadores de engenharia e operação. Em seguida há a determinação das faixas de endereços multicast para as mensagens GSE-GOOSE e para o tráfego SMV – Sampled Measured Values como menciona a

norma IEC 61850-8-1 (2). Ver a Tabela 1. TABELA 1 – Faixas de endereço das mensagens de tempo real – GSE e SMV

Serviço Endereço multicast inicial Endereço multicast final

GOOSE 01-0C-CD-01-00-00 01-0C-CD-01-01-FF

SMV 01-0C-CD-04-00-00 01-0C-CD-04-01-FF

Com o objetivo de demonstrar como os elementos dos arquivo SCL podem ser usados para documentar o projeto com todas as características anteriormente mencionadas, será utilizada uma ferramenta que atua configurador de sistemas IEC 61850 interoperável, certificada pelo UCA International Users Group de acordo com o capítulo 6 na edição 2 – o IET600 da ABB. Para a condução das demonstrações um arquivo SCD – Substation Configuration Description que contempla equipamentos de diferentes fabricantes é

empregado para ilustrar os itens mais relevantes para efeitos de documentação, como os detalhes que abrangem os datasets, report control blocks, listas de endereços de camadas 2 e 3 assim como também se explora um arquivo do tipo SSD – System Specification Description (3) que contém os dados referentes a uma especificação de um sistema de automação como o elaborado pela Eletrosul, conforme suas diretrizes internas. Além das vantagens que remetem à geração de conteúdo e histórico do que fora configurado na aplicação, o arquivo SCL possui outras particularidades que podem contribuir muito para ensaios e simulação dos IEDs com base no modelo que nele consta. Dessa maneira o SCD será usado também por uma ferramenta de testes e diagnósticos – o ITT600. O intuito é criar uma consciência situacional de que uma documentação elaborada com qualidade e utilizando os recursos da norma, pode servir como um componente chave para a realização de ensaios, observar o comportamento dinâmico das configurações feitas na etapa de engenharia do projeto e ainda verificar o relacionamento cliente-servidor e publisher-subscriber estabelecidos entre os membros da arquitetura. Considerando-se ainda cenários como o do SIN brasileiro onde ampliações nas subestações são realizadas com frequência em decorrência dos leilões de transmissão ou geração, os arquivos SCL podem ser usados como as built do sistema e permitir que as modificações seja feitas com segurança e de forma mais rápida reaproveitando configurações e modelos, comprovando a interoperabilidade (4) e flexibilidade preconizadas pela norma IEC 61850.


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2.0 - PROCESSO DE DOCUMENTAÇÃO NA FASE DE ENGENHARIA

Com a fase de planejamento da aplicação e arquitetura de comunicação concluídas, inicia-se a configuração do sistema em sua etapa de engenharia. Para ilustrar os processos a seguir será adotada uma abordagem do tipo bottom up que concerne em preparar a configuração dos IEDs contemplando seus Logical Nodes – LNs de proteção e controle por meio do software dedicado a esta função fornecido por quaisquer fabricantes. Em seguida, o arquivo SCD é exportado para permitir a parametrização dos mecanismos de comunicação vertical e horizontal e criar a documentação necessária.

2.1 O configurador IEC 61850 IET600

O IET600 é uma ferramenta certificada pelo UCA como um configurador interoperável para projetos que utilizam a norma IEC 61850. A Figura 2 exibe suas principais funcionalidades.

FIGURA 2 – Recursos da ferramenta IET 600 A documentação do projeto é pensada de tal forma que permita o fornecimento de subsídios às equipes de engenharia para ampliar ou modificar o sistema e, em cenários de manutenção, permitir o diagnóstico de eventuais falhas, a compreensão de como os elementos do projeto se relacionam e como o fluxo de dados fora desenhado. Dessa maneira as características a seguir contribuem de forma significativa neste objetivo: - Topologia da subestação: Corresponde ao substation section do arquivo SCL, seção onde os

equipamentos primários da subestação como TCs, TPs, transformadores de potência, reatores, seccionadoras, barras e disjuntores são associados aos LNs que os representarão. É possível inclusive representar o arranjo da subestação com o uso desta técnica;

- Fluxo de dados: Neste quesito são definidos os direcionamentos da comunicação vertical e horizontal entre os IEDs, merging units e sistemas supervisórios.Este item é de suma importância na identificação de problemas durante atividades de troubleshooting;

- Endereços de comunicação: Remete às tabelas com os endereços de camadas 2 e 3 de cada elemento da arquitetura, não apenas das interfaces físicas mas também das portas virtuais como se observa no caso das mensagens GSE e SMV e suas respectivas faixas MAC reservadas;

- Lista geral dos IEDs: Identifica cada um dos IEDs por seu nome e seus pontos de acesso à rede, fabricante, versão de firmware (caso esteja disponível);

- Configuração da rede: É um complemento à arquitetura do sistema. Pela leitura dos fluxos de comunicação pode-se indentificar como as entidades da topologia se relacionam (cliente-servidor e publisher-subscriber). Neste recurso em específico do IET é permitido a elaboração de um desenho gráfico para respresentar tais associações;

- Comparação e mescla dos SCLs: Quando há dois arquivos SCL (como dois SCDs por exemplo) as


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ferramentas de documentação permitem a comparação entre os dois e evidencia as diferenças para que se avalie qual deles deve ser usado, ou até mesmo fundí-los em um terceiro arquivo;

- Documentação da aplicação: Refere-se às tabelas com os dados de comunicação, nome dos equipamentos, nomes operacionais, LNs, objetos e atributos em uso.

Este conjunto de dados, quando disponibilizados, eleva a qualidade da aplicação e entrega às equipes de engenharia e manutenção um ferramental que oferece condições de explorar-se as vantagens da norma IEC 61850 e analisar o comportamento do sistema integrado.

2.2 Os mecanismos de comunicação vertical e horizontal

O arquivo SCD contém a descrição de todas as funções de comunicação, LNs, Data Object e Data Attributes da aplicação como indica a Figura 3. Todos os IEDs são apresentados em uma árvore onde são exibidas as informações sobre por quais pontos de acesso eles se conectam à rede e também seus endereços IP.

FIGURA 3 – Visualização dos datasets atrelados ao IED

Para a comunicação vertical são elencados dentro dos datasets os objetos e atributos que serão

disponibilizados ao sistema SCADA ou RTU declarados como clientes da aplicação. Para permitir o funcionamento desta combinação é criado também um Report Control Block que se encarrega do envio espontâneo das variações das grandezas contidas nos datasets ao cliente. A grande de vantagem no que remete à documentação é que uma vez que o SCD contém todos estes componentes, durante a própria fase de engenharia (na tarefa de configuração) naturalmente o histórico é gerado automaticamente, servindo como um documento do projeto. Pode-se exportar as referências do dataset de cada IED para o Excel para organizá-las em um formato específico se necessário. Depois de esclarecidos quais são os atributos e datasets envolvidos na comunicação vertical, são

identificados também quais são os clientes do IED ou dos IEDs em questão, os representando por uma matriz como demonstra a Figura 4. A partir deste ponto, os responsáveis pelo projeto contemplarão todas as informações disponíveis para quaisquer modificações futuras na subestação, no que concerne a declaração dos clientes e servidores da aplicação, com recursos para gerar tabelas em Excel com os dados ou manipulá-los por meio da própria ferramenta configuradora do sistema.


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FIGURA 4 – Declaração dos clientes por meio da leitura do arquivo SCD

De forma análoga, na comunicação horizontal são definidos os GOOSE Control Blocks que usam as informações dos datasets para criar as publicações de mensagens de camada 2 na rede como publishers. Neste processo são configurados itens que atribuem comportamentos específicos às mensagens como a faixa de endereços MAC a elas reservados, nível de prioridade conforme o CoS – Class of Service – e às VLANs as quais pertencem. São mencionados ainda os assinantes de cada uma das mensagens GOOSE de tal forma que em uma condição de manutenção, as edições dos vínculos entre os IEDs para as mensagens de tempo real sejam facilitadas como exibe a Figura 5.

FIGURA 5 – Documentação das mensagens horizontais


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Ainda com foco nas mensagens de tempo real (5) em camada 2, com o avanço das subestações digitais, é possível também listar a parametrização do tráfego oriundo das merging units no barramento de processo - os SMVs, como mostra a Figura 6.

FIGURA 6 – Mensagens SMV de tempo real documentadas

Em resumo, a Tabela 2 sintetiza os elementos chave para constituir uma documentação relevante para as aplicações IEC 61850 considerando as atividades inerentes ao ciclo de vida do projeto (engenharia, testes, manutenção e ampliações/modificações): TABELA 2 – Itens para compor o escopo da documentação do projeto

Elemento O que deve conter? Por que?

Arquitetura de comunicação

Conexões entre todos os equipamentos bem como os serviços desempenhados, além dos tipos de mídia utilizados

É a base para os serviços de manutenção e pilar para a engenharia construir o projeto de automação na norma IEC 61850

Endereços de camada 2

Os endereços MAC para todos os publishers e subscribers

Destes endereços dependem o funcionamento das mensagens de tempo real e a geração da informação para ensaios e diagnósticos

Endereços de camada 3 Os endereços e faixas IP adotados para os elementos da aplicação

Informar para onde o tráfego TCP/IP dever ser direcionado nas relações cliente-servidor

Relação cliente-servidor Endereços de camada 3 e o relacionamento dos Report Control Blocks com os clientes declarados

Evidenciar os vínculos entre os IEDs servidores e os sistemas SCADA/RTU clientes

Relação publisher-subscriber Endereços de camada 2 e o claro relacionamento entre as entidades (IED-IED ou MU-IED)

Evidenciar os vínculos de tempo real

Parametrização de tempo real

As priorizações, VLANs e caraterísticas especiais que a mensagem SMV/GSE deve transportar

Garantir o correto funcionamento da mensagem de tempo real quanto à performance/necessidade do projeto

Substation section O relacionamento dos LNs com os equipamentos primários

Permite visualizar o arranjo físico da topologia da subestação

SCD consistido

Toda a configuração de comunicação da subestação e seus elementos

É o elemento mais importante para gerar uma documentação da aplicação com qualidade para manutenções e ampliações futuras


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3.0 - O ARQUIVO SSD COMO BASE PARA DOCUMENTAR A ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA A Eletrosul, concessionária do grupo Eletrobras, deu um passo importante no que remete à documentação de empreendimentos baseados na norma IEC 61850. Utilizando o um recurso previsto nesta norma, criou um arquivo SCL denominado SSD que consiste em uma especificação técnica sobre as funções necessárias para atender aos requisitos de seus projetos.

3.1 Os componentes do arquivo SSD

Este arquivo, assim como o SCD, segue uma estrutura definida e distribuída entre as seções de subestação, IEDs, comunicação vertical e horizontal, mapeamentos dos equipamentos primários e a configuração da rede de forma geral como descreve a Figura 7.

FIGURA 7 – Vínculos entre as diferentes seções em um arquivo SSD ou SCD

Em seu arquivo SSD a Eletrosul detalha as configurações típicas em suas subestações com bays de 69, 138, 230 e 500kV listando os IEDs que devem compor a aplicação (quanto à quantidade e funções que cada um deve possuir – os LNs), os pontos de acesso à rede, as faixas de endereços IP e MAC a serem adotadas e o relacionamento entre os IEDs e sistemas SCADA. Fora incluído também os registradores de falha (oscilógrafos) que devem realizar o trigger por meio da recepção das mensagens GOOSE

provenientes dos IEDS. O objetivo principal desta ação é que, uma vez que o SSD seja entregue a um fabricante, este tenha condições de interpretar como deverá ser a aplicação que a Eletrosul espera receber. É uma forma de documentação prévia do sistema, algo possível graças ao modelo de dados desenhado dentro da norma IEC 61850 com as técnicas UML/XML e sem precedentes na automação de subestações. O SSD pode ainda ser usado com base de uma verificação em relação ao SCD (pós fase de engenharia) para se auditar se todas as funcionalidades previstas na especificação foram implementadas no projeto real. Um outro fator relevante é que a Eletrosul fez uso do Substation Section, ou seja, relacionou os LNs aos equipamentos de pátio. Com esta seção discriminada no arquivo SCL, o configurador do sistema pode interpretar a informação e montar o unifilar da subestação como é exibido na Figura 8 com a aplicação do IET para esta finalidade.


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FIGURA 8 – Substation Section mapeado para o unifilar da subestação no arquivo SSD

3.2 USO DO SSD DENTRO DO CONFIGURADOR IET600 Quando o arquivo SSD é importado para dentro do IET600, o conceito de navegação dentro da ferramenta segue o princípio da modelagem dos dados na norma IEC 61850: Substation Section, IED Section, Communication Section e LN Type Section como pode ser observado na Figura 9. A razão para esta

abordagem é a simplificação do entendimento de como as entidades do projeto se relacionam e também para orientar a forma de como a documentação é gerada.

FIGURA 9 – Painéis de contexto dentro do configurador

De uma forma holística, pode-se conferir todos os mapeamentos no substation section, quais são os IEDs presentes na rede (inclusive por subestação), por qual ponto de acesso cada um dos elementos estão conectados e quais tipos de LNs estão envolvidos, e estas tarefas são realizadas por meio de 4 painéis/telas diferentes, facilitando os trabalhos relacionados à edição e verificação destes componentes.


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4.0 - IMPACTOS DA DOCUMENTAÇÃO PARA AS FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICOS

A qualidade do arquivo SCL gerado e sua consequente documentação tem uma influência direta sobre como as ferramentas usadas para ensaios e diagnósticos vão contribuir em uma eventual análise da aplicação como indicado nas Figuras 10 e 11. Uma vez que as configurações das redes de station e/ou process bus são definidas bem como as

determinações do tráfego das camadas 2 e 3, estas representações podem ser verificadas por meio de um dashboard gráfico de uma ferramenta, por exemplo, como o ITT600. Assim pode-se constatar rapidamente se os report control blocks e os vínculos entre os IEDs e sistemas supervisórios foram construídos de forma correta, além da possibilidade de monitorá-los em tempo real com o sniffering da rede de comunicação.

FIGURA 10 – Dashboard com o relacionamento entre os elementos do projeto

Com a premissa de que o substation section fora parametrizado da forma correta, o unifilar da subestação é exibido pela ferramenta de ensaios, autorizando os comandos sobre os disjuntores e seccionadoras tal qual o sistema SCADA pode fazê-lo. Uma lista de eventos pode ser emitida para compor o conjunto da documentação da fase de integração do projeto.

FIGURA 11 – Unifilar disponível para comandos conforme a configuração do substation section


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5.0 - CONCLUSÃO

É um fato que as aplicações de automação de subestações no estado da arte da norma IEC 61850 possuem muitas semelhanças com projetos de desenvolvimento de software em TI, tendo como exemplo o uso do UML e principalmente de XML para a modelagem dos arquivos descritivos SCL. Tal constatação também remete à necessidade de documentar os projetos usando os recursos providos pelo SCL e assim tornar a manutenção mais simples e permitir as expansões de uma forma controlada e com boa qualidade.

Configurar e organizar os arquivos SCL por meio de uma ferramenta integradora de sistemas, com foco em interoperabilidade e certificada para este fim representa uma importante contribuição para gerar uma documentação valiosa para os projetos de proteção e controle em suas etapas de engenharia e testes (de fábrica e campo). Deve-se enfatizar ainda que as atividades relacionadas às expansões com a adição de novos bays são favorecidas quanto à definição de forma clara e explicativa das comunicações verticais

por meio do protocolo MMS e horizontais com o uso das mensagens GSE. A visualização gráfica dos datasets e seus respectivos control blocks permite a rápida leitura e compreensão de quais dados estão envolvidos na publicação na rede – quesito que também facilitará o diagnóstico em uma eventual intervenção com fins de manutenção. Os endereços de rede (IP) e de enlace (MAC) adotados pelos equipamentos componentes da aplicação constituem um outro conjunto de informações vitais que são disponibilizadas pelo arquivo SCL e exibidas pela ferramenta de integração.

Contudo, todas estas funcionalidades e procedimentos não excluem a necessidade de uma arquitetura de comunicação que apresente os componentes do sistema e suas interligações, serviços disponíveis, tipos de mídia e interfaces selecionadas e composição de VLANs. Recomenda-se que este documento aliado às saídas da ferramenta de configuração e integração sejam elevados ao mesmo grau de importância dos diagramas esquemáticos funcionais.

Por último, o avanço das subestações digitais é uma realidade e assim o uso das redes Ethernet conectadas ao pátio reforçam uma vez mais a relevância da documentação para tratar, neste caso, do tráfego referente às mensagens de tempo real do serviço SMV com seus endereços e prioridades para garantir o funcionamento correto das funções de proteção e controle.

6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) LIMA, A. UML 2.5 do requisito à solução. 1. ed. São Paulo: Editora Érica, 2014. (2) INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISSION. IEC 61850-8-1: Specific communications service mapping. 2. Ed. Geneva, Switzerland, 2011. 390p. (3) STEINHAUSER, F.; VANDIVER, B. IEC 61850 Tool Supported System Specification. Disponível em https://www.pacw.org/issue/december_2015_issue/nasa_mission_to_mars/iec_61850_tool_supported_system_specification/complete_article/1.html. Acesso em 11 jun. 2019. (4) BRANDT, K.; LOHMANN, V.; WOLFGANG W. Substation Automation Handbook. 1. ed. Bremgarten, Switzerland, 2003. (5) MEIER, S.; WERNER, T. Performance considerations in digital substation applications. Disponível em https://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=4CAE000404&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch. Acesso em 25 mai. 2019.

7.0 - DADOS BIOGRÁFICOS

Julio Oliveira tem mais de 20 anos de experiência dedicados à automação de subestações. É pós-graduado em Redes de Computadores pela UNICSUL, mestre em Engenharia de Computação pelo IPT-SP e MBA em Gestão Estratégica de Negócios pela FGV-SP. Trabalha na área de Grid Automation da ABB desde 1994, tendo participado da elaboração e teste de sistemas para várias

concessionárias de energia elétrica no Brasil. Em 2005, colaborou para o desenvolvimento de software e integração de IEDs realizados na ABB Suécia. É membro do Cigré Brasil e autor de publicações técnicas na área de automação de subestações. Atualmente é responsável pelas aplicações e soluções de subestações digitais e esta atividade promoveu a primeira subestação digital na América Latina com os recursos mais recentes da norma IEC 61850 – station bus/ process bus.

https://www.pacw.org/issue/december_2015_issue/nasa_mission_to_mars/iec_61850_tool_supported_system_specification/complete_article/1.html

https://www.pacw.org/issue/december_2015_issue/nasa_mission_to_mars/iec_61850_tool_supported_system_specification/complete_article/1.html

https://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=4CAE000404&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch

https://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=4CAE000404&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch

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