1

Aumento da confiabilidade de esquemas de

proteo e controle em IEC 61850 com o uso

de Message Quality

Paulo Franco, Carlos Oliveira e Geraldo Rocha - Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.

Sumrio - A introduo da norma IEC 61850 em

sistemas eltricos de potncia e industriais possibilita a

troca de informaes entre rels via rede Ethernet. Novas

capacidades surgem visando a reduo de cabos

convencionais e o tempo de comissionamento em

subestaes e possibilitando a utilizao de esquemas de

controle e proteo mais elaborados e adaptados para

diversas aplicaes.

Atravs da utilizao das funes de proteo com troca

de informaes atravs de mensagens GOOSE (Generic

Object Oriented Substation Event) entre os IEDs (Intelligent

Electronic Devices), redes Ethernet ganham papel

importante nos esquemas de proteo e controle e torna-se

necessrio que a mesma tenha alta disponibilidade e

confiabilidade tornando o seu monitoramento obrigatrio

em subestaes.

Alguns recursos como portas Ethernet dual nos IEDs e

redes de switches em anel garantem a redundncia de

comunicao, aumentando a disponibilidade do sistema de

automao e proteo da subestao, assim como IEDs

com monitoramento dos links de comunicao nas portas

Ethernet.

Ao utilizar-se a norma IEC 61850 para projetos de

automao de subestaes, faz-se necessrio revisar as

lgicas e esquemas de proteo contemplando o

monitoramento da comunicao pelo IED.

Este artigo relata uma viso das principais lgicas e

esquemas de proteo em uma SE.

I. INTRODUO

A norma IEC 61850 estabelece as funcionalidades dos

protocolos de comunicao vertical e horizontal, permitindo a

interoperabilidade entre os sistemas e a troca rpida de

mltiplos tipos de mensagens entre os equipamentos de

proteo, controle, superviso e medio da subestao.

Um dos maiores benefcios da norma IEC 61850 a

comunicao ponto-a-ponto atravs de mensagens IEC 61850

GOOSE para troca de informaes entre os diversos IEDs e o

uso dessas informaes nas lgicas de proteo, automatismo

e intertravamento, possibilitando o desenvolvimento de um

sistema de automao descentralizado, distribudo atravs de

diversos IEDs.

A melhoria das condies operativas da subestao com

uso de automatismos para manobras, antes executadas pelos

operadores permitiu aumento da confiabilidade, segurana

e disponibilidade do sistema, que reflete diretamente na

diminuio do tempo de interrupes.

Alm dos aspectos operacionais e econmicos, a deciso

pela adoo desta nova filosofia das subestaes, fazendo uso

dos protocolos de comunicao da norma IEC 61850, baseia-

se tambm nos seguintes fatores:

Comunicao de alta velocidade em rede Ethernet;

Interoperabilidade de equipamentos de diferentes

fabricantes;

Significativa reduo da quantidade de cabos utilizados;

Agilidade no comissionamento e menor probabilidade de

falhas;

Alta confiabilidade e disponibilidade do sistema, com

projeto mais simples e arquitetura mais eficiente;

Menor possibilidade de obsolescncia no futuro prximo,

garantindo o retorno do investimento realizado;

Garantia de fcil expansibilidade.

II. SISTEMA DE AUTOMAO DE SUBESTAES COM BASE NA

NORMA IEC 61850

Um Sistema de Automao de Subestao (SAS)

composto por rels de proteo, controladores, redes de

comunicao, gateways para facilitar a integrao com o

sistema de superviso e aquisio de dados (SCADA),

registradores de perturbao, medidores, unidades de medio

sincronizada de fasores, estaes de engenharia local e remota

e uma IHM (Interface Homem-Mquina) local [1].

As subestaes de energia eltrica projetadas para utilizar

as funcionalidades dos protocolos da norma IEC 61850 podem

usufruir de mensagens padronizadas para o sistema

supervisrio, troca de dados em tempo real entre os IEDs e

coleta das informaes de monitoramento dos equipamentos,

reduzindo significativamente o nmero de equipamentos

usados para proteo, controle, medio e automao.

Assim, a arquitetura do SAS torna-se modular e

distribuda, onde os equipamentos so instalados em painis

especficos para cada bay: entrada de linhas, transformadores

e alimentadores.

A comunicao com o centro de controle e com a IHM

normalmente efetuada atravs de um gateway de comunicao

que coleta os dados dos IEDs atravs do protocolo IEC 61850

MMS, concentrando toda informao na SE e, em seguida,

2

converte-os em protocolos como DNP3 LAN/WAN, IEC

61870- 104, Modbus, entre outros.

Um exemplo de arquitetura da rede de comunicao de

uma subestao de distribuio baseada na norma IEC 61850

est mostrada na Fig. 1.

Rel de Proteo

Rel de Proteo

Rel de Proteo

Rel de Proteo

Rel de Proteo

Rel de Proteo

Controlador de

Automao

Programvel

Switch A Switch B

Gateway B

Switch C

Gateway A

Web

Centro de

Operao

Remoto

Acesso de

Engenharia

GPS

IHM

Operao Local

Antena

Firewall

Fig. 1. Rede de comunicao de dados

III. ARQUITETURA E MONITORAMENTO DE REDES DE

COMUNICAO ETHERNET

A. Arquitetura e Monitoramento do link de comunicao

Com a utilizao de esquemas de proteo dependentes de

informaes que trafegam em redes de comunicao [1],

torna-se imprescindvel que a arquitetura de comunicao

utilizada na subestao, para a troca de informaes entre os

IEDs, seja analisada levando em considerao a confiabilidade

e disponibilidade da rede. As principais arquiteturas de rede

Ethernet so: Estrela Simples, Anel e Estrela Dupla.

Estrela Simples: Utiliza uma nica rota para

comunicao entre os elementos da rede. Nesta

topologia, a falha em uma conexo ou switch pode

ocasionar desde interrupes localizadas ou at mesmo

desativao de toda a rede. Na Fig. 2, temos um exemplo

onde os IEDs se comunicam apenas atravs de uma nica

porta Ethernet, onde a porta de comunicao Ethernet

A esta ativa e a porta B no utilizada.

IED 01

A B

IED 02

A B

IED 03

A B

SWG SWITCHGERENCIVEL

Fig. 2. Arquitetura em Estrela Simples

Anel: A rota de comunicao tem o fluxo em um nico

sentido enquanto o anel estiver integro, caso ocorra uma

falha que interrompa o anel, o switch abre duas rotas em

sentidos opostos. Nesta arquitetura de comunicao h

redundncia de cabos e switches. O sistema suscetvel

a N-1 falhas. A Fig. 3 ilustra esta topologia.

IED 01

A B

IED 02

A B

IED 03

A B

SWGSWG

Fig. 3.

Arquitetura em Anel

Estrela Dupla: Dispe de duas rotas independentes para

comunicao entre os IEDs. A comunicao

estabelecida atravs da porta primria (ex: porta Ethernet

A), deixando a segunda porta em espera (porta

Ethernet B). Nesta arquitetura h redundncia dos

cabos de comunicao e switches. O sistema suscetvel

a N-2 falhas. A Fig. 4 ilustra um exemplo desta

arquitetura.

IED 01

A B

IED 02

A B

IED 03

A B

SWGSWG

Fig. 4. Arquitetura em Estrela Dupla

B. Configurao dos IEDs de Proteo e Controle

Para flexibilizar o uso das arquiteturas de comunicao, o

hardware dos IEDs pode ser concebido tendo uma interface de

3

rede com duas portas de comunicao. Estas portas na verdade

so apenas interfaces fisicas duplicadas com endereos MAC

(Media Access Control) distintos, porm existe apenas uma

das camadas OSI superiores. Ou seja, apenas um endereo IP

(Internet Protocol) configurado. Atravs de software de

configurao (ver Fig. 5), trs modo de operao podem ser

escolhido para adequar o IED arquitetura de comunicao

selecionada. Estes modos de operao so:

Fixed: Fora o IED a utilizar somente uma porta de rede,

deixando a segunda porta de rede desabilitada

(Arquitetura em estrela simples, Fig. 2).

Switched: Fora o IED a comunicar em ambas as portas

de rede simultaneamente (Arquitetura em anel, Fig. 3).

Failover: Fora o IED a iniciar a comunicao atravs da

porta de rede principal e coloca a segunda porta de rede

em espera. Quando detecta perda de link de dados pela

porta principal, o IED muda automaticamente a

comunicao para a porta de rede que estava em espera.

(Arquitetura em dupla estrela, Fig. 4).

Fig. 5. Configurao do modo de operao da placa de

rede

Analisando a flexibilidade das arquiteturas apresentadas

possvel identificar que o monitoramento da porta de

comunicao ativa importante para manter a rede ntegra e

possibilitar manuteno preditiva/preventiva.

O IED deve possuir variveis binrias internas (Fig. 6) que

identificam e monitoram o link de dados. Estas variveis

binrias podem ser utilizadas em lgicas internas e

disponibilizam informaes sobre o estado da rede para o

sistema de superviso e controle. Alarmes neste sistema

podem disparar equipes de manuteno para aes na rede de

comunicao evitando situaes de defeito na rede, o que

possibilita o aumento da disponibilidade e da confiabilidade

da rede Ethernet da subestao, aumentando, por

consequncia, a disponibilidade e a confiabilidade do sistema

de proteo e controle.

Fig. 6. Monitoramento do link de dados

C. Monitoramento das Mensagens GOOSE

O comissionamento e manuteno dos IEDs tradicionais

so feitos utilizando medidores de grandezas eltricas, tais

como multimedidores, osciloscpios, etc.

Nos sistemas de automao que utiliza a norma IEC 61850,

as ferramentas tradicionais de manuteno e comissionamento

so substitudas por ferramentas desenvolvidas pelos

fabricantes dos IEDs. A Fig. 7 mostra um exemplo de IED que

permite o monitoramento das mensagens GOOSE publicadas

e subscritas e que disponibiliza vrios dados referentes s

mesmas.

Este monitoramento indica quais as mensagens que o IED

est transmitindo e recebendo e se h alguma falha na rede

que impossibilite a comunicao entre os IEDs.

Fig. 7. Monitoramento das mensagens GOOSE

Os campos e os dados que o monitoramento das mensagens

GOOSE disponibiliza so extrados das informaes contidas

nas mensagens publicadas e subscritas e que so padronizadas

pela norma IEC 61850. Esta funcionalidade auxilia a equipe

4

tcnica a identificar falhas de conexo e configurao. Os

principais campos so:

MultiCastAddr: Indica o endereo multicast MAC da

mensagem GOOSE, para um monitoramento adequado

das mensagens importante que o mesmo seja nico em

toda a rede;

Ptag: Representa qual o valor da prioridade da

mensagem;

Vlan: Identifica a VLAN (Virtual Local Area Network) a

qual a mensagem se destina;

Code: Indica a presena de erros e falhas na rede ou na

mensagem caso exista. Os cdigos (Tabela 1) devem ser

analisados caso a caso para identificar as possveis

causas da falha.

CODE DESCRIO

OUT OF SEQUENC Mensagem fora de seqncia

CONF REV MISMA Perda da verso de configurao

NEED COMMISSIO Necessidade de comissionamento

TEST MODE IED em modo teste

MSG CORRUPTED Mensagem corrompida

TTL EXPIRED Mensagem no recebida dentro do

tempo esperado

HOST DISABLED IED desabilitado

Tabela 1. Cdigos de erro

D. Message Quality

O grande motivo de falha nos esquemas de proteo e

automao dos sistemas tradicionais a no possibilidade de

monitorar a integridade do cabo metlico que transfere a

informao entre os IEDs. No SAS que utiliza a norma IEC

61850, a falha de comunicao entre os IEDs monitorada e

tratada em tempo real (Message Quality) e esta informao

pode ser utilizada pelos IEDs para executar bloqueios e/ou

mudar esquemas de proteo/automao para impedir

atuaes incorretas.

O monitoramento realizado constantemente, mesmo

quando no h mudana no valor de nenhuma varivel dentro

do DataSet, isto possvel pelo fato da mensagem GOOSE ser

transmitida periodicamente seguindo o ajuste Max. Time

(ms), que mostrado na Fig. 8.

Fig. 8. Programao mensagem GOOSE

Caso o IED assinante da mensagem (Subscriber IED)

detecte que a mensagem GOOSE no foi recebida dentro do

tempo esperado, a varivel Message Quality acusar nvel

lgico 1, indicando a falha de comunicao entre os IEDs.

A Fig. 9 exemplifica o uso da Message Quality da

mensagem GOOSE publicada pelo IED AL10 (Alimentador

10) associada com a varivel CCIN048 do IED RP1TR1

(Transformador 1). As variveis CCINnn representam

entradas binrias virtuais que podem ser utilizadas nas lgicas

internas do IED.

Fig. 9. Programao mensagem GOOSE

IV. ESQUEMAS E LGICAS REVISADOS COM USO DE

MESSAGE QUALITY

Tradicionalmente os engenheiros de proteo e automao

buscam os melhores e mais seguros esquemas lgicos.

Visando a segurana nas aplicaes com a norma IEC 61850

utilizada nos esquemas lgicos a superviso das mensagens

GOOSE.

5

01

10 11 12

03

02

20 21 22

04

05

89-1-1

89-1-2

52-01

89-2-1

89-2-2

52-02

52-03 52-04

52-05

52-10 52-11 52-12 52-20 52-21 52-22

89-3-1 89-4-1

C1

C2

TF-01 TF-02

89-3-2 89-4-2

138 13,8 kV25/30 MVA

138 13,8 kV25/30 MVA

Fig. 10. Unifilar tpico

Analisando um unifilar tpico de uma subestao (Fig. 10),

possvel identificar alguns esquemas lgicos, tais como,

seletividade lgica, esquema de falha disjuntor 50/62BF,

transferncia automtica de linha - TAL, entre outros, com

aplicao da superviso da mensagem GOOSE. Na sequncia

so apresentados alguns destes esquemas com a aplicao do

monitoramento da mensagem GOOSE baseados no unifilar da

figura 10.

A. Seletividade Lgica

Tem como objetivo proporcionar a atuao rpida, segura e

seletiva do sistema de proteo.

A Fig 11 apresenta a recepo da partida de proteo

proveniente do rel dos alimentadores e a superviso da

comunicao no rel localizado na baixa do transformador.

No caso de falha de comunicao com o rel dos

alimentadores, o rel da baixa do trafo executa o bloqueio da

seletividade lgica (Fig. 12), garantindo a atuao seletiva do

sistema de proteo.

Fig. 11. Seletividade lgica

Fig. 12. Bloqueio seletividade lgica

B. Falha de Disjuntor

Este esquema visa garantir a extino do defeito no menor

tempo possvel atravs do disjuntor a montante.

O esquema de falha de disjuntor inicializado pelo rel

que est jusante do sistema. A Fig 13 apresenta um diagrama

lgico com aplicao da superviso da comunicao. Outros

esquemas podem ser feitos dependendo da filosofia de

operao da subestao.

Fig. 13. Esquema falha disjuntor

Nesta lgica observa-se que a superviso da comunicao

permite o encaminhamento do sinal de 50/62BF para o

disjuntor disponvel para eliminar a falha, garantindo assim a

correta e segura operao do sistema.

6

C. Transferncia Automtica de Linha - TAL

Transferncia entre linhas de forma automtica quando

ocorre o desligamento da linha em operao, restabelecendo o

fornecimento de energia no consumidor pela linha retaguarda.

O rel instalado na entrada da subestao monitora a tenso

da linha em operao (Fig. 14). Na ausncia da tenso ocorre a

transferncia para a outra linha sadia (Fig. 15). Outros

esquemas podem ser feitos dependendo da configurao da

subestao.

Fig. 14. Monitoramento da tenso Vo C1

Fig. 15. Partida da TAL

D. Restabelecimento Automtico da Subestao - RASE

O automatismo RASE-D executa a transfrencia entre

disjuntores ao detectar algum defeito no vo ativo.

A Fig 16 apresenta algumas condices que bloqueiam a

RASE-D. A falha de comunicao utilizada para garantir a

perfeita execuo da lgica.

Entre os automatismos de reestabelecimento automtico da

subestao aplicado tambm a RASE-T, que segue o mesmo

princpio da RASE-D, diferenciando nas condies de partida

da lgica que feito aps detectar algum defeito interno no

transformador.

Fig. 16. Bloqueio temporrio da RASE-D

Fig. 17. Partida da RASE-D

Inmeros outros automatimos utilizando a superviso da

comunicao podem ser realizados para manter a

confiabilidade do sistema de automao.

V. DOCUMENTAO DE PROJETOS EM IEC 61850

Para melhorar a documentao de projetos de SAS com a

utilizao da norma IEC 61850, fez-se uma analogia com um

cabo metlico convencional, onde uma mensagem GOOSE

ser vista como cabo virtual com diversas vias virtuais.

Cada cabo virtual GOOSE identificado por um endereo

MAC virtual (Multicast MAC Address) e recebe um nome

(Message Name) e uma breve descrio de seu contedo

(Description). As informaes dentro do Dataset da mensagem

GOOSE representam as vias desse cabo virtual com

informaes de estados e medies analgicas.

7

Fig. 18. Programao mensagem GOOSE

A configurao de LANs Virtuais (VLAN ID)

analogamente representada por uma bandeja de cabos virtuais

GOOSE, que permite que switches direcionem o cabo virtual

somente para as portas habilitadas com os IEDs que utilizaro

informaes contidas nele.

Fig. 19. Analogia Cabo x GOOSE

Seguindo esse conceito, uma ferramenta de fundamental

importncia para a documentao de projetos em IEC 61850

a Lista de Pontos Recebidos via GOOSE - Goose Receive

Point List. Esta lista documenta todo o projeto de fiao

virtual entre os IEDs de proteo e controle da Subestao,

substituindo o tradicional diagrama de fiao convencional.

Esta ferramenta permite identificar a bandeja de cabo

VLAN ID e quais os cabos virtuais GOOSE presentes nela.

Alm disso, identifica as informaes publicadas por IED em

cada cabo virtual GOOSE e para quais IEDs estas informaes

esto sendo fiadas, identificando a entrada virtual utilizada

para esse fim. Essa lista pode ser impressa ou salva e constitui

um documento importante para o projeto em IEC 61850.

Fig. 20. Lista de Pontos Digitais

VI. CONCLUSES E RESULTADOS

A norma IEC 61850 tornou-se um mtodo eficiente de

comunicao entre IEDs, possibilitando a transmisso de

informaes de estados, medies e protees entre IEDs.

O estudo da arquitetura de comunicao utilizada entre os

IEDs deve ser feito levando em considerao a confiabilidade

e disponibilidade da rede, aliado ao custo/beneficio.

Requisitos mnimos de confiabilidade devem ser levados

em considerao em aplicaes em tempo real. As possveis

falhas de comunicao necessitam ser tratadas e monitoradas

pelos IEDs para executar bloqueios e/ou mudar esquemas de

proteo/automao para impedir atuaes incorretas. Alm

de gerar alarmes na IHM indicando falha na comunicao

horizontal, possibilitando executar manuteno preventiva.

VII. REFERNCIAS

[1] S. Kimura, A. Rotta, R. Abboud, R. Moraes, E. Zanirato,

and J. Bahia, Applying IEC 61850 to Real Life:

Modernization Project for 30 Electrical Substations,

proceedings of the 10th Annual Western Power Delivery

Automation Conference, Spokane, WA, April 2008.